Bahnbrechende drahtlose Implantatationstechnik zur Behandlung der Parkinson-Krankheit
Parkinson ist eine fortschreitende neurodegenerative Erkrankung, für die noch keine Heilung möglich ist. Symptome, die den Alltag in allen Aspekten einschränken, sind vor allem gravierende Bewegungsstörungen wie Muskelzittern (Tremor) und Haltungsinstabilität. Allein in der EU sind etwa 1,2 Millionen Menschen davon betroffen, eine Zahl, die sich bis 2030 voraussichtlich verdoppeln wird. „Ursache für Parkinson ist das Absterben dopaminerger Neuronen, die für das ordnungsgemäße Funktionieren der Basalganglien (BG) sorgen. Diese Kerngebiete im Gehirn sind wesentlich an der Bewegungssteuerung beteiligt“, erklärt Farshad Moradi, Professor an der Fakultät für Elektro- und Computertechnik an der Universität Aarhus. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts STARDUST erarbeitete die Gruppe um Moradi nun einen neuen Ansatz zur Wiederherstellung der motorischen Funktion bei Parkinson-Erkrankten. STARDUST entwickelte das implantierbare medizinische Gerät Dust, mit dem an einem Mausmodell Medikamente zur Behandlung der Parkinson-Krankheit verabreicht werden konnten. Das Gerät aktiviert spezifische Proteine im Gehirn, indem es die zelluläre Aktivität mittels Lichtbestrahlung steuert (Optogenetik). „Wir wollten mittels optogenetischer Neuromodulation die motorische Funktion des Globus pallidus externalis (GPe) normalisieren, ein Kern in den Basalganglien, dessen Aktivität sich unter dem Einfluss von Parkinson verändert“, so Moradi. „Um dieses Hirnareal zu erreichen, entwickelten wir ein vollständig implantierbares Gerät, das eine auf diese spezifischen neuronalen Schaltkreise abgestimmte Lichtwellenlänge bereitstellt“, ergänzt Moradi. „Mit dem Gerät können optogenetische Versuche an frei beweglichen Tieren durchgeführt werden. Zudem ermöglicht es die Erfassung und drahtlose Übermittlung der Daten sowie die lokale Arzneimittelabgabe.“
Experimentelle Versuche mit lichtempfindlichen Proteinen am Mausmodell
Inwieweit sich das Implantat zur Stimulation des Bewegungsapparates eignet, wurde von der Arbeitsgruppe in einer Versuchsreihe untersucht. Zuerst wurde versucht, „Dummy“-Geräte, die in die Versuchsmäuse implantiert wurden, optimal mit einem sogenannten Transducer (Druckwandler) zu kombinieren. Acht bis zehn Wochen vor der Transplantation des Prototypgeräts wurde dann das lichtempfindliche Protein Channelrhodopsin in den motorischen Kortex der Mäuse injiziert. Als die Geräte in den experimentellen Versuchen aktiviert wurden, zeigte sich bei den Mäusen jedoch keine Verhaltensreaktion. Hierfür kommen mehrere Gründe in Frage, z. B., dass die Lichtstärke für eine neuronale Aktivierung in vivo nicht ausreichte, oder auch eine Dejustierung zwischen Transducer und Gerät nach der Implantation. „Leider gelang es nicht, die Komponenten ordnungsgemäß zu integrieren, was die In-vivo-Untersuchungen erheblich beeinträchtigte“, sagt er.
Vielversprechende Anfangsergebnisse
Dennoch lieferte STARDUST mehrere vielversprechende Ergebnisse. So entwickelte es mehrere molekulare optogenetische Werkzeuge für exzitatorische oder inhibitorische Anwendungen und optimierte die Leistung von Channelrhodopsinproteinen im Mausmodell. „Mittels dieser Photoaktivierung von Neuronen im äußeren Globus pallidus ließ sich ein breites Spektrum parkinsonähnlicher Bewegungsstörungen abmildern“, erklärt Moradi. „Dies unterstreicht, welchen Beitrag der äußere Globus pallidus zum Krankheitsgeschehen liefert.“ Weiterhin wurde ein lichtgesteuertes polymerbasiertes Arzneimittelabgabesystem entwickelt, das durch UV-Licht aktiviert und durch grünes Licht deaktiviert werden kann.
Pläne zur Weiterentwicklung des Geräts
Nach Abschluss des Projekts soll die Forschung nun auf verschiedenen Wegen fortgeführt werden. „Eine Möglichkeit wäre, das Gerät weiterzuentwickeln, wenn wir Forschungsunterstützung etwa über das EIC-Transition-Instrument erhalten“, so Moradi. „Aber auch der neurowissenschaftliche Aspekt der Studie ließe sich weiterverfolgen, indem auf andere Hirnareale abgezielt wird. So könnten mit einer Basistechnologie neurowissenschaftliche Fragen beantwortet werden, da nun Hirnregionen erreichbar werden, für die bisherige Methoden und Standardgeräte nicht geeignet sind.“
Schlüsselbegriffe
STARDUST, Mausmodell, Optogenetik, Parkinson, Krankheit, Licht, empfindlich, Proteine
