Optogenetica

Een muis tijdens een optogenetisch experiment. Via een geïmplanteerde optische vezel wordt licht naar een specifiek gebied in de hersenen geleid, waar genetisch gemodificeerde zenuwcellen door het licht kunnen worden geactiveerd.

Optogenetica is een biologische technologie waarbij licht wordt gebruikt om de activiteit van specifieke cellen, zoals zenuwcellen, te meten of te beïnvloeden. Hiervoor worden door middel van genetische manipulatie genen in cellen ingebracht die coderen voor lichtgevoelige eiwitten. Door deze eiwitten met licht te activeren, kunnen specifieke processen in de cel worden aangezet, geremd of meetbaar gemaakt.

In de neurowetenschappen wordt de techniek gebruikt om specifieke hersencellen genetisch lichtgevoelig te maken. Door deze cellen vervolgens met licht van een bepaalde golflengte aan te schijnen, kunnen onderzoekers de hersenactiviteit heel exact beïnvloeden. Dit maakt het mogelijk om de functies van specifieke zenuwcellen te onderzoeken. Het helpt bij het in kaart brengen van neurale netwerken en het beter begrijpen van gedrag, geheugen, emotie en verslaving.

Het toepassingsgebied is inmiddels vrij breed: er zijn lichtgevoelige eiwitsystemen ontwikkeld waarmee ook signaaltransductie, genexpressie en eiwitinteracties met licht kunnen worden bestudeerd. Daarnaast worden de mogelijke klinische toepassingen van optogenetica onderzocht, bijvoorbeeld binnen de oogheelkunde en cardiologie. In 2026 werd het belang van de techniek bekroond met de Nobelprijs voor Fysiologie of Geneeskunde.

Toepassingen

Hoewel de techniek in theorie op veel verschillende cellen kan worden toegepast, heeft de techniek heeft vooral binnen de neurowetenschappen en het fundamenteel hersenonderzoek een grote doorbraak betekend. Inmiddels heeft de optogenetica daarnaast zijn weg gevonden in andere vakgebieden, waaronder de oogheelkunde, cardiologie en signaalbiologie.

Neurowetenschappen

De hersenen bestaan uit miljarden zenuwcellen (neuronen), verdeeld over vele celtypen die in complexe netwerken met elkaar verbonden zijn. Met traditionele methoden, zoals elektrische schokjes of medicijnen, is het vrijwel onmogelijk om slechts één celtype te stimuleren zonder ook de omliggende cellen te beïnvloeden. Het gericht kunnen aansturen van afzonderlijke celtypen is echter lange tijd een belangrijk streven geweest binnen het hersenonderzoek. De ontwikkeling van optogenetica heeft hierin een grote vooruitgang betekent.

Onderzoekers brengen via genetische manipulatie lichtgevoelige eiwitten tot expressie in één type neuron in een proefdier. Via een dunne glasvezel kunnen vervolgens met een laser (of andere lichtbron) deze cellen worden aangeschenen. Dit maakt het mogelijk om het hersengebied heel gelokaliseerd – en op de milliseconde nauwkeurig – te activeren of te remmen. De techniek heeft geleid tot een beter begrip van complexe hersenfuncties: het is bijvoorbeeld duidelijker geworden welke neurale netwerken verantwoordelijk zijn voor processen als geheugen, cognitie, besluitvorming, emotionele verwerking en eetgedrag.

Hersenziekten

Optogenetische stimulatie en meting van neuronale activiteit in de hersenen van een muis. Hersencellen zijn voorzien van het lichtgevoelige eiwit Chrimson (rood) en kunnen met licht worden geactiveerd.

Daarnaast wordt optogenetica veel gebruikt om de mechanismen van neurologische en psychiatrische aandoeningen te onderzoeken. Door specifieke hersengebieden bij proefdieren met licht te stimuleren of te remmen, kunnen onderzoekers bijvoorbeeld de motorische problemen van Parkinson nabootsen of juist opheffen. Kennis hiervan informeert nieuwe behandelingen, zoals diepe hersenstimulatie. Ook in het klinisch onderzoek omtrent epilepsie, verslaving en chronische pijn is voortgang geboekt dankzij de techniek.

Oogheelkunde

In de hersenen blijft optogenetica voorlopig beperkt tot proefdieren, omdat het operatief inbrengen van glasvezelkabels in de schedel bij mensen veel te invasief is. De oogheelkunde is hierop de belangrijkste uitzondering. Dit is momenteel het enige medische veld waar optogenetica al klinisch wordt getest op menselijke patiënten.

Een noemenswaardige ontwikkeling betreft het onderzoek naar erfelijke netvliesaandoeningen zoals retinitis pigmentosa, waarbij de fotoreceptoren (de staafjes en kegeltjes) geleidelijk afsterven. De zenuwcellen die daarachter liggen en de signalen naar de hersenen moeten sturen, blijven echter vaak leven. Bij experimentele optogenetische therapieën worden deze resterende netvliescellen genetisch aangepast (via virale vector) zodat ze een lichtgevoelig eiwit gaan produceren. Vroege klinische onderzoeken hebben laten zien dat sommige patiënten hierdoor beperkte visuele functies kunnen terugkrijgen, zoals het waarnemen of lokaliseren van voorwerpen.

Andere onderzoeksrichtingen

Cardiologie

Hartspiercellen gebruiken, net als zenuwcellen, elektrische signalen om samen te trekken. Onderzoekers hebben aangetoond dat het mogelijk is om hartspiercellen lichtgevoelig te maken, zodat het hartritme gestuurd kan worden met lichtpulsen in plaats van stroomstootjes. Dit zou een nauwkeuriger en minder belastend alternatief kunnen betekenen voor elektrische pacemakers en defibrillatie.

Celbiologie

Ook in de celbiologie wordt de optogenetica als experimentele methode gebruikt. Hiermee kunnen onderzoekers onder meer signaalroutes, enzymactiviteit, eiwittransport en veranderingen van het cytoskelet zeer plaatselijk en op nauwkeurig gekozen tijdstippen beïnvloeden.

Geschiedenis en prijzen

De ontwikkeling van de optogenetica bouwde voort op onderzoek naar natuurlijke lichtgevoelige eiwitten in micro-organismen. In de jaren 1970 ontdekte de Duitse biochemicus Dieter Oesterhelt bacteriorodopsine, een eiwit waarmee bepaalde bacteriën onder invloed van licht protonen over hun celmembraan pompen. Deze eiwitten bleken ionkanalen te zijn die rechtstreeks door licht worden geopend. Later onderzochten Peter Hegemann en Georg Nagel de lichtgevoelige eiwitten van de eencellige alg Chlamydomonas. Dit leidde rond de eeuwwisseling tot de ontdekking en karakterisering van zogeheten channelrhodopsins: eveneens ionkanalen die rechtstreeks door licht worden geopend.

Verschillende onderzoeksgroepen begonnen vervolgens zulke lichtgevoelige eiwitten te gebruiken om de activiteit van zenuwcellen kunstmatig te sturen. Een doorbraak kwam in 2005, toen Karl Deisseroth en zijn team lieten zien dat het channelrhodopsine-2 in zoogdierneuronen tot expressie kon worden gebracht. De snelle opkomst van de techniek kreeg veel wetenschappelijke erkenning. Het tijdschrift Nature Methods riep optogenetica uit tot 'Methode van het Jaar' in 2010. Rond deze tijd was de techniek al breed toepasbaar in modeldieren. In 2021 ontvingen Oesterhelt, Peter Hegemann en Karl Deisseroth de Albert Lasker Award for Basic Medical Research.

In 2026 ontvingen Peter Hegemann, Georg Nagel en Karl Deisseroth de Nobelprijs voor Fysiologie of Geneeskunde voor hun bijdragen aan de ontwikkeling van optogenetica.

Referenties

  1. 1 2 (en) Goshen I. (2014). The optogenetic revolution in memory research. Trends in Neurosciences 37 (9): 511-522. DOI: 10.1016/j.tins.2014.06.002.
  2. ↑ (en) Vickstrom CR, Snarrenberg ST, Friedman V, Liu Q. (2022). Application of optogenetics and in vivo imaging approaches for elucidating the neurobiology of addiction. Molecular Psychiatry 27 (1): 640-651. DOI: 10.1038/s41380-021-01181-3.
  3. ↑ (en) Emiliani V, Entcheva E, Hedrich R, Hegemann P, Konrad KR, Lüscher C, Mahn M, et al. (2022). Optogenetics for light control of biological systems. Nature Reviews Methods Primers 2 (1). DOI: 10.1038/s43586-022-00136-4.
  4. 1 2 (en) The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2026. NobelPrize.org (5 oktober 2026). Geraadpleegd op 5 oktober 2026.
  5. ↑ (en) Fenno L, Yizhar O, Deisseroth K. (2011). The Development and Application of Optogenetics. Annual Review of Neuroscience 34 (1): 389-412. DOI: 10.1146/annurev-neuro-061010-113817.
  6. ↑ (en) Fernandez-Ruiz A, Oliva A, Chang H. (2022). High-resolution optogenetics in space and time. Trends in Neurosciences 45 (11): 854-864. DOI: 10.1016/j.tins.2022.09.002.
  7. ↑ (en) Tye KM, Deisseroth K. (2012). Optogenetic investigation of neural circuits underlying brain disease in animal models. Nature Reviews Neuroscience 13 (4): 251-266. DOI: 10.1038/nrn3171.
  8. ↑ (en) Pascoli V, Hiver A, Van Zessen R, Loureiro M, Achargui R, Harada M, Flakowski J, et al. (2018). Stochastic synaptic plasticity underlying compulsion in a model of addiction. Nature 564 (7736): 366-371. DOI: 10.1038/s41586-018-0789-4.
  9. ↑ (en) Kravitz AV, Freeze BS, Parker PRL, Kay K, Thwin MT, Deisseroth K, Kreitzer AC. (2010). Regulation of parkinsonian motor behaviours by optogenetic control of basal ganglia circuitry. Nature 466 (7306): 622-626. DOI: 10.1038/nature09159.
  10. ↑ (en) Gittis AH, Yttri EA. (2018). Translating insights from optogenetics into therapies for Parkinson's disease. Current Opinion in Biomedical Engineering 8: 14-19. DOI: 10.1016/j.cobme.2018.08.008.
  11. ↑ (en) Lüscher C, Emiliani V, Farahany N, Gittis A, Gradinaru V, High KA, Roska B, et al. (2025). Roadmap for direct and indirect translation of optogenetics into discoveries and therapies for humans. Nature Neuroscience 28 (12): 2415-2431. DOI: 10.1038/s41593-025-02097-9.
  12. ↑ (en) Sahel J, Boulanger-Scemama E, Pagot C, Arleo A, Galluppi F, Martel JN, Esposti SD, et al. (2021). Partial recovery of visual function in a blind patient after optogenetic therapy. Nature Medicine 27 (7): 1223-1229. DOI: 10.1038/s41591-021-01351-4.
  13. ↑ (en) Han X, Zhu Z, Song Z, Liu G, Yin X, Shen J, Xue J, et al. (2026). Optogenetic Therapy With UGX-201 in Advanced Nonsyndromic Retinitis Pigmentosa: Safety and Efficacy From an Exploratory Clinical Trial. American Journal of Ophthalmology 287: 222-236. DOI: 10.1016/j.ajo.2026.03.042.
  14. ↑ (en) Nussinovitch U, Gepstein L. (2015). Optogenetics for in vivo cardiac pacing and resynchronization therapies. Nature Biotechnology 33 (7): 750-754. DOI: 10.1038/nbt.3268.
  15. ↑ (en) Guglielmi G, Falk HJ, De Renzis S. (2016). Optogenetic Control of Protein Function: From Intracellular Processes to Tissue Morphogenesis. Trends in Cell Biology 26 (11): 864-874. DOI: 10.1016/j.tcb.2016.09.006.
  16. ↑ (en) Hegemann P, Nagel G. (2013). From channelrhodopsins to optogenetics. EMBO Molecular Medicine 5 (2): 173-176. DOI: 10.1002/emmm.201202387.
  17. ↑ (en) Boyden ES, Zhang F, Bamberg E, Nagel G, Deisseroth K. (2005). Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity. Nature Neuroscience 8 (9): 1263-1268. DOI: 10.1038/nn1525.
  18. ↑ (en) Deisseroth K. (2015). Optogenetics: 10 years of microbial opsins in neuroscience. Nature Neuroscience 18 (9): 1213-1225. DOI: 10.1038/nn.4091.
  19. ↑ (en) Light-sensitive microbial proteins and optogenetics. laskerfoundation.org. Geraadpleegd op 1 september 2025.