OLEDs zur besseren Steuerung von Nervenzellen

OLEDs könnten schon bald das Zugpferd der modernen Optogenetik sein und den Weg für ein besseres Verständnis neuronaler Netze sowie zur Prothetik der nächsten Generation ebnen.

Digitale Wirtschaft

Auch wenn uns dies möglicherweise nicht bewusst ist, sind Nervenzellen für unsere Fähigkeit, unsere Umgebung zu verstehen und mit dieser zu interagieren, von zentraler Bedeutung. Dank Optogenetik lassen sich diese Zellen jetzt durch Licht mit hoher Präzision steuern. Hierdurch bieten sich potenzielle Anwendungsmöglichkeiten bei der Heilung von neurologischen Erkrankungen oder Sehbeeinträchtigungen. Diese Technik basiert allerdings auf LED oder Laser-Lichtquellen, denen es an Präzision und räumlicher Auflösung mangelt. Dies bedeutet, dass es oftmals nicht möglich ist, einzelne Neuronen zu steuern. „Die Beleuchtung der relevanten Region des Gehirns in einem lebenden Tier über diese Quellen macht es erforderlich, dass das Tier unter einem Mikroskop fixiert wird oder sperrige und starre Komponenten eingeführt werden, die nicht mit dem Weichgewebe übereinstimmen, wodurch das Verhalten des Tiers beeinflusst werden kann“, erklärt Dr. Caroline Murawski, Marie Skłodowska Curie Fellow an der University of St. Andrews. Durch das mit Fördermitteln ausgestattete Projekt NEUROLED (Organic Light-Emitting Diodes for Optogenetic Control of Neurons) zielt Dr. Murawski darauf ab, diese Beschränkungen zu überwinden, indem OLEDs mit einer äußerst hohen Auflösung in subzellularen Längenskalen strukturiert werden, damit ein schnelles Umschalten zwischen anvisierten Zellen über große Flächenbereiche hinweg möglich ist. Die Möglichkeit, diese OLEDs auf flexiblen Substraten herzustellen, bedeutet auch, dass sich diese letztlich in vivo auf die Form des anvisierten Organs anpassen lassen. „Ich habe vor Augen, dass mit OLEDs tausende von Zellen gleichzeitig individuell adressiert werden können und dass ihre mechanische Flexibilität für die Bioimplantation sehr vorteilhaft sein wird“, erklärt Dr. Murawski begeistert. Bei dem Projekt wird Fotolithografie angewandt, um je nach erforderlicher räumlicher Auflösung OLED-Pixel mit einer Größe von 10-100 μm zu erhalten. Die OLEDs emittieren Farben, die dem Aktivierungsspektrum gentechnisch eingeführter lichtempfindlicher Proteine entsprechen und beinhalten elektrisch dotierte Ladungstransportschichten mit hoher Leitfähigkeit, um bei geringen Treiberspannungen eine hohe Helligkeit zu erreichen – hierdurch wird eine minimale Widerstandsheizung geschaffen, die sich ansonsten auf benachbarte Zellen ausbreiten würde. Da die Effizienz von OLEDs bei höherer Helligkeit üblicherweise stark abnimmt, musste Dr. Murawski die beiden Aspekte miteinander in Einklang bringen, indem anstelle von phosphoreszierenden Stoffen, die in kommerziellen OLEDs weit verbreitet sind, Fluoreszenzemitter verwendet wurden. „Eine weitere Schwierigkeit ist die schnelle Degradation von OLEDs, wenn diese in Kontakt mit Wasser gelangen“, fügt Dr. Murawski hinzu. „Zur Anvisierung von Zellen mit hoher räumlicher Auflösung in der wässrigen Umgebung, die von Natur aus für das Zellwachstum erforderlich ist, müssen die organischen Materialien mit einem sehr dünnen Verkapselungsfilm geschützt werden. Hierbei verfolgen wir zwei Wege: die Verwendung von Oxiden und Polymeren, die durch Gasphasenabscheidung hergestellt werden und die Anwendung ultradünner flexibler Glasverkapselungsschichten.“ Der nächste Schritt für Dr. Murawski und ihre Kollegen in der Gruppe von Prof. Malte Gather bestand darin, ihre OLEDs mit hoher Helligkeit für optogenetische Konzeptnachweisexperimente zu verwenden. Der Plan ist es, Zellen direkt auf OLEDs zu kultivieren oder Miniaturversionen der Geräte in lebende Tiere zu implantieren. Laut Dr. Murawski werden die OLEDs daraufhin durch ms lange elektrische Impulse betrieben, bei denen leistungsstarke Lichtimpulse erzeugt werden, die ein Aktionspotential evozieren, das in angrenzende Neuronen feuert. „Wir haben Larven der Drosophila melanogaster (Fruchtfliegen), einen Modellorganismus in der Genetik, für unseren Konzeptnachweis verwendet. Wir haben demonstriert, dass OLEDs das zur Stimulation der Larvenneuronen erforderliche Helligkeitsniveau erreichen und konnten das Larvenverhalten mit unseren Geräten steuern. Wir arbeiten jetzt daran, zu demonstrieren, dass OLEDs in Kulturen von primären Neuronen Aktionspotentialwellen evozieren können und dies mit der optischen Ausgabe neuronaler Aktivitäten zu kombinieren.“ Dank dieser Forschung werden Neurowissenschaftler von einem Instrument profitieren, das völlig neue Experimente möglich macht. Hierzu zählen beispielsweise Untersuchungen von Netzaktivitätsmustern während systematisch inhibitorische Neuronen hinzugefügt oder entfernt werden. Hierdurch böte sich ein leistungsstarkes, aber dennoch einfaches Modell für die Untersuchung von medizinischen Erkrankungen wie der Alzheimer-Krankheit. „Flexible OLEDs könnten auch als bioimplantierbare Lichtquellen verwendet werden, um eine klar definierte Stimulation bestimmter Hirnregionen bei Tierversuchen oder im weiteren Verlauf sogar bei Patienten zu ermöglichen. Wir arbeiten bereits mit einem großen US-geführten Konsortium in der Prothethikentwicklung zusammen und wir hoffen, Fördermittel von einer britischen Wohltätigkeitsorganisation zu erhalten, damit wir OLEDs für eine grundlegende forschungsorientierte neurowissenschaftliche Studie verwenden können“, schlussfolgert Dr. Murawski.

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Organic Light-Emitting Diodes for Optogenetic Control of Neurons

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