Medikamente wirken meist gleichmäßig im Körper – unter Umständen auch dort, wo es nicht erwünscht ist. Forscher suchen deshalb nach örtlich begrenzten Wirkmethoden. Während lösliche Mittel in der Regel gleichmäßig im Körper verteilt und auch überall wirksam werden, könnte man mit einer örtlich und zeitlich aktiven Substanz ganz gezielt zum Beispiel Tumorzellen an einer bestimmten Körperstelle erreichen und behandeln – ohne dass andere Körperzellen ebenfalls von dem Medikament angegriffen werden. Eine Möglichkeit der gezielten Wirkweise von Medikamenten im Körper ist die Umwandlung einer zunächst inaktiven Substanz durch beispielsweise Bestrahlung mit UV-Licht in eine aktive wirksame Form.
Biologisch aktive Peptide
Ein Peptid ist ein kleines Protein. Es besteht aus Aminosäuren in einer definierten Reihenfolge. Ein Beispiel für ein Peptid ist Insulin, welches den Blutzuckerspiegel reguliert. Damit sind Peptide körpereigene Substanzen, die gezielt Funktionen des Körpers beeinflussen – ebenso wie Medikamente.
Peptide weisen eine strukturelle Besonderheit auf: Sie können ihre Form verändern. Dies erfolgt über den Zu- oder Abbau von Wasserstoffbrückenbindungen. Innerhalb der so genannten Sekundärstruktur können Peptide entweder die Form einer Spirale oder einer Faltblattstruktur annehmen. Die Struktur wiederum ist ausschlaggebend für die Eigenschaft des Peptid-Moleküls. Gelingt es nun, ein Peptid durch äußere Einflüsse in eine bestimmte Struktur zu bringen, so verändert sich dessen Eigenschaft und damit die Wirkungsweise der Substanz im Körper. Wissenschaftler haben einen "lichtaktiven molekularen Schalter" in ein Peptid eingebaut. Hierdurch lässt sich, mittels UV-Bestrahlung, das im Grundzustand gestreckte Peptid in die Faltblatt-Form überführen. Solange die gestreckte Form vorliegt, ist die Substanz unwirksam. Befinden sich die Moleküle am richtigen Ort, werden sie durch Lichteinfluss aktiviert und wirken so gezielt an den gewünschten Stellen im Körper.
Die Forscher haben sich dieses "Lichtschalterprinzip" vom menschlichen Sehprozess abgeschaut. Beim Sehen passiert auf der Retina im Auge genau das Gleiche: Durch Lichteinfall wird im Sehsystem ein Peptid strukturell verändert, wodurch ein entsprechendes Signal – Nervenimpuls – erzeugt wird. So lässt sich auch bei anderen biologischen Abläufen eine entsprechende Signalkette mittels Licht steuern.
Optogenetik
Auch die Aktivität von Nervenzellen lässt sich mittels Licht steuern. Dazu verpflanzt man mittels gentechnischer Methoden lichtaktivierbare Proteine aus beispielsweise Grünalgen oder Bakterien in das Nervensystem eines höheren Lebewesens – zum Beispiel in einen Fadenwurm. Anschließend lassen sich die modifizierten Nervenzellen durch Licht von außen aktivieren oder hemmen. Dieses junge Fachgebiet, das sich mit der Kontrolle von genetisch modifizierten Zellen mittels Licht beschäftigt, wird als Optogenetik bezeichnet. Von den Ergebnissen dieses Forschungsgebietes verspricht man sich in absehbarer Zeit neue Methoden zur Behandlung von Epilepsie oder der Parkinson’schen Krankheit. Mit Hilfe der Optogenetik ließe sich – ebenso wie bei den lichtsensiblen Peptid-Medikamenten – ganz gezielt auf definierte Nervenzellen im Gehirn einwirken. Auch die Möglichkeiten zur Behandlung der Augendegeneration Retinitis pigmentosa könnte von der Optogenetik profitieren.
Quellen:
IDW: „Molekulare Lichtschalter“, 11.03.2010
IDW: „Neuronen durch Licht gesteuert“, 9.03.2010