Das Gehirn per Implantat und Smartphone behandeln
Biologische Barrieren schützen das Gehirn und machen Arzneimitteltherapien zum Glücksspiel. Deshalb haben Forscher ein Neuroimplantat entwickelt. Auf Knopfdruck setzt es Wirkstoffe frei – derzeit aber nur im Mausmodell.
Neuroimplantat mit austauschbaren Arzneimittelpatronen und LEDs im Tierexperiment.
Foto: Korea Advanced Institute of Science and Technology
Zahlreiche Erkrankungen des Gehirns wie die Alzheimer- oder die Parkinson-Krankheit, aber auch Depressionen oder Sucht, gehören zu den großen Herausforderungen unserer Zeit. Die Zahl an Patienten steigt, aber Behandlungsmöglichkeiten sind rar. Forschende Arzneimittelhersteller kämpfen nämlich bei der Suche nach Wirkstoffen gegen die Blut-Hirn-Schranke an. Die Barriere schützt Neuronen vor Viren oder Bakterien, was durchaus wünschenswert ist. Sie bremst aber auch Wirkstoffe auf ihrem Weg zu Nervenzellen.
Um das Problem zu umgehen, haben Forscher aus den USA und aus Korea jetzt ein spezielles Implantat entwickelt. Es lässt sich per Smartphone steuern. Die Signale setzen Arzneistoffe aus Patronen frei oder lösen Lichtimpulse aus, um neuronale Schaltkreise zu triggern. „Das kabellose Gerät ermöglicht eine dauerhafte chemische und optische Neuromodulation“, sagt Raza Qazi. Er forscht am Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) und der University of Colorado Boulder.
Implantat für den Dauereinsatz geeignet
Die Technik, Arzneistoffe oder optische Reize direkt im Gehirn anzuwenden, ist nicht neu. Bisherige Methoden haben jedoch ihre Nachteile. Neurologen verwenden starre Metallrohre oder Lichtleiter. Die Geräte schränken Patienten stark in ihrer Mobilität ein. Hinzu kommt, dass solche Implantate zu Schäden im weichen Gehirngewebe führen. Für langfristige Anwendungen eignen sie sich nicht.
Das war für Ingenieure Grund genug, nach Alternativen zu suchen. Sie präsentieren jetzt ein Gehirnimplantat auf Basis von Mikro- und Nanotechnik. Es besteht aus einer weichen, ultradünnen Sonde mit dem Durchmesser eines menschlichen Haars. Bei der Anwendung strömen Flüssigkeiten durch diesen Kanal und gelangen dann in bestimmte Hirnregionen: eine Anwendung der Mikrofluidik. Winzige LEDs, von den Ausmaßen her kleiner als ein Salzkorn, kommen hinzu, um optische Stimulationen zu ermöglichen.
„Plug and Play“ in der Neurologie
Damit eliminieren die Entwickler zwar eine Schwäche bisheriger Systeme. Um Arzneimittel dauerhaft zu verabreichen und Therapieschemata vielleicht sogar im laufenden Betrieb zu ändern, ist ein innovatives Kartuschensystem notwendig. Diese Lego-ähnlichen Patronen lassen sich ohne chirurgischen Eingriff von außen wechseln. Qazi bezeichnet sie als „Plug and Play“-System.
Sein Implantat hat er bislang im Tierexperiment untersucht. Momentan sieht der Forscher vor allem Einsatzmöglichkeiten bei klinischen Studien. Mit der eigens entwickelten Benutzeroberfläche können Forscher bei jeder Maus per Smartphone eine bestimmte Kombination von Lichtimpulsen und Arzneistoffgaben auslösen, ohne im Labor zu sein. Bekanntlich stört die Anwesenheit von Menschen bei so mancher Studie, wenn es um das Stress- oder Angstverhalten von Tieren geht.
Der Entwickler denkt perspektivisch sogar über vollautomatische Studien nach: Ein Computer steuert anhand von Protokollen, welche Medikation einzelne Tiere zu einem bestimmten Zeitpunkt bekommen. Placebos, sprich wirkstofffreie Scheinmedikamente, sind ebenfalls möglich. „Dadurch können wir die neuronalen Schaltkreise des Verhaltens besser analysieren und feststellen, wie bestimmte Neuromodulatoren im Gehirn das Verhalten auf verschiedene Weise beeinflussen“, so Qazi.
Neuroimplantate – eine Perspektive für die Humanmedizin
Bleibt als Fazit: Die Ingenieure haben ihr Neuroimplantat zwar für präklinische Experimente konzipiert. Sie sehen aber durchaus Potenziale für den klinischen Alltag. Ein Anwendungsbeispiel könnten Glioblastome sein. Diese aggressiven Gehirntumore sprechen kaum auf Therapien an. Bei Patienten schwankt die Fünf-Jahres-Überlebensrate je nach Art des Tumors zwischen null und 14 %. „Trotz operativer Entfernung, Bestrahlung und Chemotherapie treten Glioblastome meist innerhalb weniger Monate erneut auf“, so Marc-Eric Halatsch vom Universitätsklinikum Ulm. „Denn für ein Nachwachsen des aggressiven Hirntumors reichen einzelne Zellen aus, die der Tumor in das ihn umgebende Hirngewebe gestreut hat.
Halatsch hat ein mit Mikroprozessoren gesteuertes LED-Implantat entwickelt. Es soll direkt im Gehirn an der Stelle platziert werden, wo ursprünglich das Glioblastom zu finden war. Die LEDs emittieren Licht mit den Wellenlängen zwischen 405 und 635 Nanometern sowie UV-Strahlung. Je größer die Wellenlänge, desto tiefer dringt die elektromagnetische Strahlung ein. Im Labor hatte das Licht wachstumshemmende bis tödliche Folgen für Glioblastomzellen. Die Untersuchungen zeigen, welche Möglichkeiten Qazis Implantat langfristig bieten könnte: eine Kombination aus Licht und Arzneistoffen, um Glioblastome zu behandeln.
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