Trockene Augen: Photosynthese-Technologie aus Spinat könnte neue Therapie ermöglichen

Ein Forschungsteam aus Singapur hat einen nanoskaligen Extrakt aus pflanzlichen Thylakoid-Granen in Hornhautzellen des Auges eingebracht, der bei Lichteinfall ein wichtiges Schutzmolekül produziert. Das könnte neue Perspektiven zur Behandlung des Trockenen Auges eröffnen.

Was wäre, wenn die Augen Licht nutzen könnten, um sich selbst zu heilen? Inspiriert davon, wie Pflanzen Sonnenlicht nutzen, entwickeln Forscher der National University of Singapore (NUS) eine Behandlungsmethode für das Syndrom des Trockenen Auges. Ihr Ansatz basiert auf einer lichtaktivierten Technologie, die aus den photosynthetischen Membranen der Spinatpflanze gewonnen wird. Diese soll dem Auge ermöglichen, kontinuierlich mit Feuchtigkeit versorgt zu bleiben. Die Technologie könnte eine einfache, wirksame und nichtinvasive Behandlungsoption für das Trockene Auge bieten.

Durch Trockene Augen verursachte Hornhautschäden nach fünf Tagen fast ausgeheilt

Keratokonjunktivitis sicca ist eine der häufigsten Augenerkrankungen und betrifft weltweit mehr als 1,5 Milliarden Menschen. Aktuelle Behandlungen wie Cyclosporin A und Lifitegrast zielen über spezifische molekulare Signalwege auf die Entzündung ab. Die hohen Kosten und unerwünschten Nebenwirkungen schränken jedoch die langfristige Anwendung ein.

Auf zellulärer Ebene wird die Erkrankung durch einen Teufelskreis angetrieben. Entzündungen im Hornhautbereich erzeugen reaktive Sauerstoffspezies (ROS), die die Zellen schädigen. Gesunde Augen können ROS durch die Produktion von Antioxidantien neutralisieren, die durch Nicotinamidadenindinucleotidphosphat (reduzierte Form) (NADPH) angetrieben wird. In entzündeten Augen überwältigen die ROS-Werte jedoch die natürlichen Abwehrkräfte der Hornhaut. Das führt zur Bildung von noch mehr ROS.

Ein Team unter der Leitung von Associate Professor David Leong Tai Wei vom Fachbereich für Chemie- und Biomolekulartechnik am College of Design and Engineering der NUS hat einen grundlegend anderen Ansatz entwickelt. Die Forschenden transplantierten eine funktionelle, aus Pflanzen gewonnene Photosynthese-Maschinerie in Hornhautzellen. Dadurch konnten diese Umgebungslicht nutzen und NADPH unabhängig von den zelleigenen NADPH-Produktionswegen produzieren.

In präklinischen Studien kehrte die Technologie Hornhautschäden innerhalb von fünf Tagen auf ein nahezu gesundes Niveau zurück und übertraf damit die derzeitigen Behandlungsoptionen. Verabreicht wurde die Technologie in Form einfacher Augentropfen in so geringen Dosen, dass sie die Farbwahrnehmung nicht beeinträchtigte. Die Forschenden veröffentlichten ihre Studienergebnisse im Fachjournal „Cell“.

Ausgangspunkt: Ein aufschlussreiches biologisches Crossover

Tiere sind normalerweise – mit einer bekannten Ausnahme – nicht in der Lage, Photosynthese zu betreiben. Diese Ausnahme ist die Sacoglossa-Seeschnecke, die die Chloroplasten von Mikroalgen aufnimmt und in ihren Darmzellen speichert. Bei Nahrungsmangel können diese Meeresschnecken von den durch Photosynthese gebildeten Nährstoffen leben. Diese ungewöhnliche tierische Eigenschaft warf eine faszinierende Frage auf: Könnten auch Säugetiere eine begrenzte Form der Photosynthese entwickeln?

LEAF produziert bei Einwirkung von Umgebungslicht photosynthetisches NADPH in Hornhautzellen

Um ihre Ideen zu testen, wählten die NUS-Forscher das Auge. Denn das Auge ist eines der wenigen Organe im menschlichen Körper, das sichtbares Licht absorbiert – genau wie Pflanzenblätter. Sie entwickelten LEAF (Light-reaction Enriched thylAkoid NADPH-Foundry), eine nanoskalige, strukturell erhaltene Version der Thylakoid-Granen. Das sind dicht gestapelte Membrankompartimente im Inneren der Chloroplasten von Pflanzenzellen, in denen Lichtenergie genutzt und in NADPH-Moleküle umgewandelt wird. Während der Photosynthese werden die NADPH-Moleküle anschließend zur Produktion von Glukose verwendet, die der Pflanze Energie und Nahrung liefert.

Die zentrale Innovation des Teams bestand darin, den Teil der Chloroplasten zu entfernen, der NADPH verbraucht, während die Thylakoide, in denen sich der Mechanismus der Lichtreaktionen der Photosynthese befindet, intakt blieben. Das Ergebnis war ein nanoskaliges Paket, das als spezielle NADPH-Fabrik fungiert und im Vergleich zu unverpackten Thylakoiden etwa 20 Prozent mehr NADPH produzieren kann.

Die Partikel wurden aus Spinatblättern unter Verwendung einer vom NUS-Team entwickelten, patentierten, schonenden mechanisch-chemischen Extraktionsmethode hergestellt. Diese Partikel haben nach Angaben der Wissenschaftler einen Durchmesser von etwa 400 Nanometern. Damit seien sie klein genug, um von den Zellen leicht aufgenommen zu werden. Sobald sich LEAF in den Zellen befindet, produziere es bei Einwirkung von Umgebungslicht photosynthetisches NADPH. Das erzeugte NADPH wiederum könne das Syndrom des Trockenen Auges über zwei Wege bekämpfen – innerhalb und außerhalb der Zelle.

„Dies ist eine spannende Erkenntnis, da wir zum ersten Mal gezeigt haben, dass der photosynthetische Apparat von Pflanzen in Säugetiergewebe transplantiert werden kann, um biologisch nützliche Moleküle zu erzeugen, die vollständig durch dasselbe Licht angetrieben werden, das unser Sehen ermöglicht. Auch wir können über begrenzte photosynthetische Fähigkeiten verfügen“, erklärt Dr. Xing Kuoran, der Erstautor der Arbeit.

An lebendem Gewebe getestet: LEAF unterdrückt ROS und versetzt Immunzellen in antiinflammatorischen Zustand

In Labortests an entzündeten Zellen stellte LEAF den NADPH-Spiegel innerhalb von 30 Minuten nach Lichteinwirkung wieder her. Es unterdrückte ROS und versetzte die Immunzellen in der Hornhaut von einem proinflammatorischen in einen antiinflammatorischen Zustand. Bei der direkten Untersuchung in Tränenproben von Patienten mit Syndrom des Trockenen Auges erhöhte LEAF den NADPH-Spiegel um das 20-Fache. Zudem reduzierte es Wasserstoffperoxid, ein wichtiges zellschädigendes Oxidationsmittel, um mehr als 95 Prozent.

In der ersten präklinischen Studie der Forschenden in Zusammenarbeit mit Augenärzten des Eye Centre des Second Affiliated Hospital der Zhejiang-Universität kehrte LEAF, als Augentropfen unter normaler Innenbeleuchtung verabreicht, Hornhautschäden innerhalb von fünf Tagen auf ein nahezu gesundes Niveau um. Eine zweite präklinische Studie bestätigte ebenfalls die therapeutische Wirkung. Sicherheitsbewertungen, darunter Studien zu Hautsensibilisierung, Augenreizung und Organtoxizität, die über zwei Monate durchgeführt wurden, zeigten keine Nebenwirkungen. Das Team plant die Durchführung klinischer Studien, um die Technologie weiter zu validieren.

Mehr als man auf den ersten Blick sieht: Von Trockenen Augen zu weiteren entzündlichen Erkrankungen

„Mit LEAF verfügen wir nun über eine Technologie, die Umgebungslicht nutzt, um das Molekül, das beim Trockenen Auge abgebaut wird, direkt wiederherzustellen“, fügte Assoc. Prof. Leong hinzu. „Da es aus Spinat gewonnen und als einfache Augentropfen verabreicht wird, keine externen Geräte oder Stromquellen benötigt sowie das für das Sehen genutzte Umgebungslicht nutzt, glauben wir, dass es ein großes Potenzial für die klinische Umsetzung hat. Es ist fast surreal, wenn man an eine mögliche zukünftige Realität denkt, in der menschliche Zellen eine begrenzte, aber nützliche Form der Photosynthesefähigkeit nicht nur im Auge, sondern auch an anderen Stellen haben könnten.“

Oxidativer Stress begünstigt eine Vielzahl von entzündlichen Erkrankungen jenseits des Trockenen Auges. Deshalb sieht das Team auch Potenzial für LEAF-basierte Ansätze überall dort, wo die antioxidativen Abwehrkräfte des Körpers überfordert sind. Insbesondere in Geweben, die von Natur aus für sichtbares Licht zugänglich sind, wie die Netzhaut, die Haut und die darunterliegenden Skelettmuskeln. Sie entwickeln zudem neue Strategien, mit denen therapeutisch nutzbare, photosynthetisch erzeugte Moleküle in inneren Organen produziert werden können, ohne dass sichtbares Licht eindringen muss.

(sas/BIERMANN)