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    Die Hector Fellow Academy stößt innovative Forschungsprojekte in neuen wissenschaftlichen Fragestellungen an.

Hochauflösende Optogenetik mit organischen Leuchtdioden (OLEDs)

Giuseppe Ciccone – Hector Fellow Karl Leo
Rodrigo Fernandez Lahore – Hector Fellow Peter Hegemann

In diesem Projekt soll die Anwendung von organischen Leuchtdioden (OLEDs) in der Optogenetik untersucht werden. Eine Reihe von neuen technologischen Ansätzen soll angegangen werden, um optogenetische Aktivierung und Inhibierung von Neuronen mit bisher nicht möglicher lateraler Auflösung zu erzielen. Dafür soll eine neue OLED-Technologie eingesetzt werden, die elektrisch umschaltbare verschiedene Farben imitieren kann. Diese OLEDs werden zu Zell-großen Pixeln strukturiert und mit einer Dünnschichtverkapselung vor Degradation geschützt. In Verbindung mit einer Matrix Ansteuerung mit organischen Transistoren wird es dadurch möglich, äußerst flexibel lokale optogenetische Effekte zu stimulieren. Die entwickelten OLEDs sollen an neuen Kanalrhodopsinen getestet werden, die eine Fusion zweier Proteine mit komplementärer Ionenleitfähigkeit darstellen. Erste Tests sollen an Chlamydomonas Algen und HEK-Zellen stattfinden und später neuronale Netze in Zellkulturen und Gewebeschnitten untersucht werden. Hier soll die Signalausbreitung innerhalb eines Netzwerks untersucht werden, wobei gezielt einzelne Neuronen an- und ausgeschaltet werden.

Das Projekt findet in enger interdisziplinärer Zusammenarbeit der Hector Fellows Karl Leo, im Fachbereich Physik, und Peter Hegemann, im Fachbereich Biophysik, statt. Beteiligt sind die beiden Nachwuchswissenschaftler Giuseppe Ciccone (Technische Universität Dresden) und Rodrigo Fernande Lahore (Humboldt-Universität zu Berlin).

AC-gesteuerte OLEDs als optogenetische Werkzeuge

  - Giuseppe Ciccone, Technische Universität Dresden

Die Photostimulation optogenetisch modifizierter Zellen ermöglicht eine stark selektive Stimulation ihrer elektrischen Aktivität und Interdependenz. Für die Optogenetik wurde bereits eine Vielzahl von Geräten vorgeschlagen. In diesem Projekt werden AC-gesteuerte organische Leuchtdioden (OLEDs) als optogenetische Werkzeuge untersucht. Diese bieten eine beispiellose Stabilität in biologischen Umgebungen, eine hohe räumliche Auflösung und die Möglichkeit, mit Hilfe von gesteuerter Farbemission sowohl eine Verstärkung als auch eine Hemmung zu bewirken.

Die Aktivierung und Hemmung von Neuronen mit bisher unerreichter räumlicher Auflösung kann durch zwei verschiedene Farben ausgelöst werden. Hierbei wird eine neue Technik mit die AC-gesteuerten OLEDs genutzt. Der Aufbau dieser Geräte wird an die Absorptionsspektren von anregenden und hemmenden state of the art-Photosystemen angepasst. Darüber hinaus werden die Geräte in in vitro-Modellen getestet, um elektrische Reaktionen auszulösen. Mit Blick auf zukünftige in vivo-Tests werden biologisch abbaubare Substrate als Geräteträger für die Implantation in Modelltieren untersucht.

AC-gesteuertes OLED-Layout: Simulation der sich im Gerät ausbreitenden elektromagnetischen Welle und ihrer spektralen Strahlungsintensität.

Photoaktivierung von Neuronen mittels Kanalrhodopsinen

  - Rodrigo Fernandez Lahore, Humboldt-Universität zu Berlin

Aufgrund der komplexen Vernetzung und Geschwindigkeit neuronaler Systeme, benötigt die Untersuchung ihrer Prozesse eine hohe räumliche und zeitliche Kontrolle. In der Optogenetik werden mit Hilfe von lichtaktivierten Ionenkanälen (Kanalrhodopsine) Neurone mit verschiedenen Belichtungssystemen wie Laser und LEDs an- und ausgeschaltet.

Dieses Projekt beschäftigt sich mit dem Testen von organischer LEDs (OLEDs), die sowohl Blau- als auch Rotlicht emittieren, für die Anwendung in der Optogenetik. Für diesen Zweck werden Zellen, die entweder fusionierte oder getrennte blauverschobenes GtACR2 und rotverschobenes CsChrimson exprimieren, mit OLEDs belichtet (von Kooperationspartner HF Prof. Dr. Karl Leo bereitgestellt). Die separate Aktivierung der beiden Kanalrhodopsine mit einer einzelnen OLED auf einer Einzelzellskala soll getestet werden. Zuerst wird in tierischer Zellkultur experimentiert (HEK293 and ND7/23 Zellen) und nach erweiterter Optimierung werden die OLEDs für die Nutzung in Neuronen geprüft.

a) Übersicht der wichtigsten mikrobiellen Rhodopsine.
b) Normierte Photoströme ausgewählter Kanalrhodopsine bei verschiedener Anregungswellenlänge im Vergleich zu rotverschobenen CsChrimson.
c) Spektrum einer blaulichtemittierenden OLED überlagert mit den Aktionsspektren von GtACR2 and CsChrimson.
Quellen: a) and b) J. Vierock, PhD Thesis, Humboldt-Universität Berlin, 2019
c) Courtesy of Caroline Murawski