Wie ergeht es einer einzelnen Netzhautzelle?
Wissenschaftler der Universitäts-Augenklinik Bonn dringen in ein vollkommen neues Forschungsfeld vor: Sie entwickeln aus rund 1000 Einzelteilen ein Spezialmikroskop, das mithilfe eines Lasers einzelne Fotorezeptoren der Netzhaut im menschlichen Auge untersuchen und stimulieren kann. Davon versprechen sich die Forscher neuartige Erkenntnisse zur Funktionsweise des Auges und zur Wirkweise von Medikamenten. Die neue Emmy-Noether-Forschergruppe – derzeit deutschlandweit die einzige in der Augenheilkunde – wird mit rund 1,6 Millionen Euro von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.
Dr. Wolf Harmening mit Modellen des menschlichen Auges: Der Leiter einer neuen Emmy-Noether-Forschergruppe an der Universitäts-Augenklinik Bonn entwickelt ein Spezialmikroskop, mit dem sich einzelne Sinneszellen in der Netzhaut stimulieren und untersuchen lassen.
Rolf Müller/UKB
Fotorezeptoren auf der Netzhaut: Links ist das Bild ohne adaptive Optiken aufgenommen. Rechts wurden die Verzerrungen mit adaptiven Optiken kompensiert, die einzelnen Sinneszellen sind deutlich zu erkennen.
Wolf Harmening/UKB-Augenklinik
Das neuartige Instrument zur Untersuchung des menschlichen Auges ist eine Kombination aus einem Laser und einem sehr hochauflösenden Mikroskop, das einzelne Sinneszellen der Netzhaut abbilden kann. „Ein solches Gerät ist nicht auf dem Markt zu haben – ähnliche experimentelle Geräte gibt es bislang nur in Berkeley und Birmingham/Alabama in den USA“, sagt Dr. Wolf Harmening. Der Biologe mit ausgewiesenen Kenntnissen in Elektrotechnik ist Leiter der neuen Emmy-Noether-Nachwuchsgruppe „Neue adaptive Optiken für die ophthalmologische Bildgebung und Funktionsprüfung: Untersuchung visueller Funktion und Dysfunktion auf Einzelzellebene“ der Universitäts-Augenklinik Bonn.
In der Netzhaut befinden sich rund 130 Millionen Sinneszellen
Die Forschergruppe wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) in den nächsten fünf Jahren mit rund 1,6 Millionen Euro gefördert. Ziel ist ein Mikroskop, in dem ein Laser-Lichtpunkt über die Netzhaut wandert und Bilder in bislang nicht gekannter Schärfe aufzeichnet. „Bislang wird von Patienten meist ein Bild von der gesamten Netzhaut aufgenommen“, sagt Dr. Harmening. „Wir möchten dagegen auf der Ebene einzelner Sinneszellen arbeiten.“ Die Herausforderung besteht darin, dass das Mikroskop für diesen Zweck mit einer ungewöhnlich großen optischen Auflösung arbeiten muss. Schließlich befinden sich auf der menschlichen Netzhaut, die etwas größer als eine Briefmarke ist, rund 130 Millionen Sinneszellen. Die kleinsten Rezeptoren haben einen Durchmesser von nur zwei Tausendstel Millimeter.
Ein flexibler Spiegel kompensiert Verzerrungen
Unregelmäßigkeiten der Linse und der Hornhaut des Auges verzerren aber das Bild. „Das verhält sich ganz ähnlich wie bei den Sternen am Nachthimmel: Weil die Atmosphäre die eigentlich punktförmigen Gebilde verzerrt, erscheinen sie gezackt und funkeln“, berichtet der Forschungsgruppenleiter. Aus der Astronomie haben die Wissenschaftler auch eine Methode übernommen, mit dem sich die Verzerrungen im Augenmikroskop kompensieren lassen. Sie messen die Abweichungen von der Idealform im Auge des Patienten auf den Tausendstel Millimeter genau. Ein flexibler Spiegel, der sich durch Aktuatoren verbiegen lässt, nimmt eine Form an, die diese Unregelmäßigkeiten im Auge genau kompensiert. Durch die Spiegelung wird die optische Abweichung aufgehoben, die einzelnen Sinneszellen der Netzhaut erscheinen gestochen scharf.
Wesentliche Impulse für Grundlagenforschung und Therapien
Mit dieser Technik erschließt sich ein vollkommen neues Feld in der Erforschung des menschlichen Auges: Wie ergeht es einer einzelnen Netzhautzelle, und wie trägt sie zum Seheindruck bei? Durch die Stimulation bestimmter Fotorezeptoren können die Wissenschaftler die Funktionsweise der Netzhaut grundlegend untersuchen: Was sieht ein Proband, wenn eine bestimmte Sinneszelle angeregt wird? Darüber hinaus lässt sich mit dem neuartigen Mikroskop auch die Wirkung vieler Therapien testen: Wie reagiert eine Netzhautzelle auf ein bestimmtes Medikament oder ein konkrete Behandlung? „Dieses innovative Bildgebungsverfahren mit funktioneller Kopplung kann nicht nur weiterführende Erkenntnisse bezüglich des natürlichen Verlaufs von potentiellen zur Erblindung führenden Netzhauterkrankungen liefern, sondern auch pharmakologische, stammzellbasierte oder gentherapeutische interventionelle Studien ermöglichen“, sagt Prof. Dr. Frank Holz, Direktor der Universitäts-Augenklinik Bonn.
Biologe mit Expertise in Elektrotechnik
Der 35-Jährige leitet die neue Emmy-Noether-Gruppe an der Universitäts-Augenklinik seit Anfang August. Mit dem Emmy-Noether-Programm möchte die DFG jungen Nachwuchswissenschaftlern einen Weg zu früher wissenschaftlicher Selbstständigkeit eröffnen. Dr. Harmening machte sein Diplom in Biologie an der RWTH Aachen und belegte nebenbei noch Elektrotechnik. Nach seiner Promotion war er Wissenschaftlicher Assistent in der Tierphysiologie an der RWTH. An der University of California in Berkeley (USA) konzentrierte er sich auf die Erforschung des menschlichen Auges. Dr. Harmening ist verheiratet und hat zwei Söhne.
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