Medizin-Nobelpreis für Optogenetik-Forscher trifft Dresdner Wissenschaftler: TUD-Forscher kitzeln Herz-Zellen mit Licht

Am 5. Oktober 2026 wurde bekanntgegeben, dass der Medizin-Nobelpreis an zwei Forscher aus Deutschland, Peter Hegemann und Georg Nagel, und Karl Deisseroth aus den USA verliehen wird. Diese Ehrung erhalten Sie für Ihre Forschung im Bereich der Optogenetik. In Stanford zeigte Deisseroth, wie sich genetisch lichtempfindlich gemachte Nervenzellen bei Tieren gezielt an- und ausschalten lassen – fast so, als würde man eine Fernbedienung für das Gehirn nutzen. Jürgen Czarske und sein Team an der TU Dresden entwickeln dieses faszinierende Konzept für menschliche Labormodelle und Organoide weiter und ersetzen damit teilweise Tierversuche – ein Fortschritt für die Neurowissenschaften, die Medizin und den Tierschutz.

Die Professur für Mess- und Sensorsystemtechnik (MST) und das Competence Center Biomedical Computational Laser Systems (BIOLAS) führen seit über 10 Jahren Forschungsarbeiten zur Optogenetik durch. Kürzlich wurde in der Nature-Zeitschrift über den Paradigmenwechsel in der Optogenetik mit Zellkulturen berichtet, wobei sowohl die Steuerung als auch Fühlen mit Licht berührungslos erfolgt, was geregelte optische Herzschrittmachen als Vision ermöglicht.

Die Pumpfunktion des Herzens beruht auf elektrisch ausgelösten Kontraktionen der Herzmuskelzellen (Kardiomyozyten). Die dabei entstehenden räumlich-zeitlichen Erregungsmuster synchronisieren die Herzkontraktion und halten die normale Herzfunktion aufrecht. Herzrhythmusstörungen (Arrhythmien) entstehen vor allem durch Störungen dieser Erregungsleitung: etwa eine spiralförmige Erregungswellenfront, die zu Tachykardie und potenziell tödlichem Kammerflimmern führen kann. Die Entstehung und Terminierung solcher Störungen sind bislang nicht vollständig untersucht. Die Untersuchungen erfolgen ohne Tierversuche und unterstützen damit die 3R-Prinzipien (replace, reduce, refine), die Tierversuche ersetzen, deren Zahl minimieren und die Belastung für Tiere verringern sollen.

Das Team um Dr. Lars Buettner und Prof. Jürgen Czarske von der Professur für Mess- und Sensorsystemtechnik modelliert diese Phänomene gemeinsam mit der Universitätsmedizin Göttingen mittels Optogenetik, bei der Zellaktivität über lichtempfindliche Proteine gesteuert wird. Dazu nutzen sie menschliche Herzmuskelzellen aus induzierten pluripotenten Stammzellen. Mit speziellen örtlich-zeitlichen Lichtmustern lösen die Forscher definierte Erregungswellenfronten aus und können so Störungen der Erregungsleitung in In-vitro-Experimenten gezielt induzieren, beobachten und kontrollieren. Ziel war es, plötzliche Störungen der Wellenfront in Echtzeit zu erkennen und durch adaptive Lichteinstrahlung den Normalzustand wiederherzustellen. Da Bildanalyse und hologrammbasierte Lichtmusterberechnung zu zeitintensiv sind, tasteten die Forscher die Wellenfront nur an ausgewählten Punkten ab (sparse sampling). So reduzierten sie Datenaufkommen und Verarbeitungszeit drastisch, ohne die eindeutige Identifikation des Zustands zu verlieren. Erstmals gelang damit die Demonstration einer Echtzeit-Regelung und Wiederherstellung einer gestörten Erregungswellenfront. Für die Experimente betreibt die Professur MST das einzige Labor der Schutzstufe S1 für gentechnisch veränderte Organismen an der Fakultät Elektrotechnik und Informationstech­nik.  Die Durchführung direkt vor Ort in den Laserlaboren vermeidet Belastungen der sensiblen Zellproben durch Transport. Die Experimente zeigen, dass die optische Systemtechnik als enabling technology eine Schlüsselrolle in der Optogenetik spielt.

Künftig wollen die Forscher ihre Technik für dreidimensionale Zellstrukturen (sog. Organoide) weiterentwickeln, denen als physiologisch relevante Modelle bei Krankheitsmodellierung, Medikamentenscreening, Präzisions- und regenerativer Medizin ein hohes Potenzial zugeschrieben wird. Auch berührungslose, optische Herzschrittmachen sind denkbar. Eine interessante Randnotiz ist, dass Karl Deisseroth vor acht Jahren von der Firma Trumpf für seine Arbeiten auf dem Gebiet der Optogenetik mit dem Berthold-Leibinger-Preis ausgezeichnet wurde und dass auch Prof. Czarske und Dr. Buettner einen Berthold-Leibinger-Preis für holografische Messtechnik erhielten, bereits 2008. Eine Weiterentwicklung dieser holografischen Messtechnik hat nun einen Durchbruch bei der Messung und Regelung von Herzmuskelzellkulturen erzielt.

Originalveröffentlichung:
R. Wendland, F. Schmieder, M.A. Sikandar, F.P. Knüppel, W.-H. Zimmermann, O. Bergmann, L. Büttner, J.W. Czarske, „All-optical closed-loop control of human cardiomyocyte networks exploiting holographic optogenetics”, Nat. Comm. Eng. 5, 159 (2026)

https://doi.org/10.1038/s44172-026-00779-1
https://www.nature.com/articles/s44172-026-00779-1

Kontakt:
Kompetenzzentrum BIOLAS (Biomedical Computational Laser Systems)
Professur für Mess- und Sensorsystemtechnik (MST), TU Dresden
Dr. Lars Buettner
Prof. Prof. h. c. Jürgen W. Czarske
Helmholtzstraße 18, 01069 Dresden