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Forschenden der Universität Leipzig und der TU Dresden ist es gelungen, biologische Schalter zu entwickeln, die durch Lichtimpulse gezielt Ionenkanäle an- und ausschalten können. Erste Anwendungen zeigen, dass sich etwa Nervenzellen im Gehirn stimulieren lassen oder per Lichtreiz die Ausschüttung von Adrenalin aus der Nebenniere und die Bewegung des Dünndarms steuerbar sind. Die Ergebnisse sind aktuell im renommierten Journal „Nature Chemical Biology“ veröffentlicht worden.
Ionenkanäle sind wie selektive Tore in der dichten Zellmembran, da sie den gezielten Transport von Ionen wie Natrium, Kalium und Calcium steuern. Diese Kanäle können je nach Reiz geöffnet und geschlossen werden, beispielsweise durch elektrische Signale, chemische Moleküle oder intrazelluläre Botenstoffe. Sie spielen in vielen Organen eine wichtige Rolle, etwa im Gehirn, in der Nebenniere und im Verdauungstrakt. Im Zentrum dieser aktuellen Studie stehen zwei Ionenkanäle aus der sogenannten TRP-Familie – TRPC4 und TRPC5. Die zentrale Entdeckung: ein neuer Wirkstoff, dessen Wirksamkeit durch violettes Licht zum Kanal-Aktivator und durch blaues Licht zum Kanal-Hemmstoff umgeschaltet werden kann (efficacy switch).
Unter Federführung von Wissenschaftler:innen der Universität Leipzig und der TU Dresden wurden für die Forschungsarbeit Wirkstoffe, die TRPC4 und TRPC5-Kanäle beeinflussen, mit einem chemischen Photoschalter kombiniert, der ermöglicht die Moleküle „an-“ und „auszuschalten“. Die beiden neuartigen Moleküle, genannt AzPico und AzHC, ermöglichen als molekulare Photoschalter die Kontrolle der Kanalaktivität durch gezielte externe Lichtreize. Das besondere an der Studie ist, dass nicht nur zwischen An und Aus gewechselt werden kann, sondern die Intensität des Effekts von der Lichtfarbe abhängt. Der Photoschalter ist also gewissermaßen ein Dimmer, der die Dosis kontrollieren kann, die gewählte Lichtfarbe entspricht dem Regler.
„Mit dieser neuen Methode, die von uns als ‚chromocontrol‘ bezeichnet wird, können etwa Zell- oder Organfunktionen räumlich und zeitlich sehr präzise und in gezielter Intensität angeregt werden“, erklärt Prof. Dr. Michael Schaefer, Direktor des Rudolf-Boehm-Instituts für Pharmakologie und Toxikologie der Universität Leipzig. Gemeinsam mit Prof. Dr. Oliver Thorn-Seshold von der TU Dresden leitete er die Studie. Erste Anwendungsbeispiele betreffen die Aktivierung bestimmter Neuronengruppen im Hirn, eine durch Licht regulierbare Adrenalin-Freisetzung aus der Nebenniere und eine durch Lichtreize steuerbare Kontraktion oder Relaxation des Dünndarmes.
Neue Photoschalter reagieren zuverlässig
Die genauen Bindungsstellen der zwei neuen Photoschalter konnten durch Kooperationen mit Prof. Dr. Robin Bon an der University of Leeds sowie Prof. Dr. Stefan Raunser am Max-Planck-Institut für Molekulare Physiologie in Dortmund mithilfe hochauflösender Kryoelektronenmikroskopie aufgeklärt werden. Außerdem zeigte sich in Experimenten mit genetisch veränderten Mauslinien, dass die TRPC4- bzw. TRPC5-Photoschalter hoch selektiv und spezifisch wirken.
In Folgestudien werden aktuell weitere Organsysteme untersucht, bei denen die Ionenkanäle TRPC4 und TRPC5 wichtige Funktionen haben. Zudem werden Nachfolgesubstanzen entwickelt, die mit längerwelligem Licht angesteuert werden können. Dadurch könnten noch tiefere Gewebeschichten zuverlässig erreicht werden. Die neuen lichtgesteuerten Moleküle könnten künftig helfen, komplexe Körperfunktionen besser zu verstehen und neue Behandlungsansätze für Krankheiten zu entwickeln.
Prof. Dr. Michael Schaefer
Universität Leipzig, Medizinische Fakultät
Rudolf-Boehm-Institut für Pharmakologie und Toxikologie
E-Mail: michael.schaefer@medizin.uni-leipzig.de
Originalpublikation in Nature Chemical Biology:
“Ideal efficacy photoswitching for chromocontrol of TRPC4/5 channel functions in live tissues” DOI: 10.1038/s41589-025-02085-x
https://www.nature.com/articles/s41589-025-02085-x
https://www.uni-leipzig.de/forschung/forschungsprofil/forschungsprojekte/deutsch... Die Forschungsergebnisse sind im DFG-geförderten Transregio-Sonderforschungsbereich TRR-152 entstanden. In diesem Projekt werden biologische Funktionen und mögliche pharmakologische Angriffspunkte an einer Gruppe von Ionenkanälen erforscht, die als „transient receptor potential“ oder kurz TRP-Kanäle bezeichnet werden.
Prof. Dr. Michael Schaefer
Source: Swen Reichhold
Copyright: Universität Leipzig
Zu sehen ist die räumliche Struktur des im TRPC-4-Kanal gebundenen Photoschalters – einmal in seiner ...
Source: Michael Schaefer
Copyright: Abbildung: Universität Leipzig
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars
Biology, Medicine
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
Prof. Dr. Michael Schaefer
Source: Swen Reichhold
Copyright: Universität Leipzig
Zu sehen ist die räumliche Struktur des im TRPC-4-Kanal gebundenen Photoschalters – einmal in seiner ...
Source: Michael Schaefer
Copyright: Abbildung: Universität Leipzig
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