Teilprojekt D2 - Nerven-Elektroden-Interaktion

Biofunktionalisierung des Elektrodenträgermaterials zur Optimierung der Nerven-Elektroden-Interaktion

Projektbeschreibung:

Ziel des Projektes ist die grundlegende Verbesserung der funktionellen Wiederherstellung des Hörvermögens bei Taubheit durch Elektrostimulation des Hörnerven (Cochlea-Implantate) oder des zentralen auditorischen Systems (Hirnstammimplantate, Mittelhirnimplantate). Die optimierte Elektroden-Nerven-Schnittstelle soll durch Mikro- und Nanostrukturierung biokompatibler Elektrodenmaterialien, deren Funktionalisierung und Biologisierung einschließlich Local Drug Delivery mit Herstellung einer zellspezifischen Verbindung zu den Neuronen des Hörnerven und des zentralen auditorischen Systems erzeugt werden.

Bei den meisten Fällen von Taubheit liegt ein Ausfall der Hörsinneszellen vor. Durch Elektrostimulation des noch erhaltenen Hörnervens können die Haarzellen funktionell durch ein sogenanntes Cochlea-Implantat ersetzt werden. Bei Ausfall des Hörnerven kommen zentralauditorische Hörimplantate im Bereich von Hirnstamm und Mittelhirn nach demselben Prinzip zum Einsatz. Übergeordnetes Ziel des Projektes ist es, die Effektivität dieser elektrischen Hörprothesen so weit zu optimieren, dass ein möglichst natürliches Hörvermögen erreicht werden kann. Hierzu zählen die deutliche Verbesserung der elektrischen Kanaltrennung und damit der Reizselektivität, die Reduktion des unspezifischen Fibroblasten- bzw. Gliazellwachstums, die Protektion der neuronalen Zellen und die Verhinderung einer fortschreitenden Degeneration sowie die Regeneration der neuronalen Dendriten mit Ausbildung eines zellspezifischen Kontaktes zu dem elektrisch leitenden Elektrodenmaterial. In der ersten Antragsphase konnte erfolgreich die kontrollierte Mikrostrukturierung konventioneller Elektrodenmaterialien (Silikone und Platin) mit Hilfe des Femtosekundenlasers etabliert werden. In der Zellkultur zeigte sich ein deutlicher Einfluss der Mikrostruktur auf das Aufwachs- und Proliferationsverhalten von Fibroblasten und Neuroblasten. Dadurch konnte eine optimierte Mikrostruktur für den Herstellungsprozess der Elektroden definiert werden. Dies stellt gleichzeitig die Grundlage für ein aus dem SFB heraus generiertes Transfer-Projekt T1 dar. Die Ergebnisse aus dem Transferprojekt werden wiederum in das Teilprojekt D2 zurückfließen.

Neben der physikalischen Modifikation der Elektrodenmaterialien kommt bei der Optimierung der Elektroden-Nerven-Schnittstelle dem „Tissue Engineering“ des Hörnerven und der Neurone des zentral auditorischen Systems eine entscheidende Bedeutung zu. In vorbereitenden Arbeiten wurden die Überlebensraten von Spiralganglienzellen (SGZ, Neurone des Hörnerven) als neurale Zielstruktur der Elektrostimulation durch ein Cochlea-Implantat mit und ohne Einfluss lokal applizierter Neurotrophine sowie zusätzlicher Elektrostimulation ebenso bestimmt wie die dadurch induzierte Regeneration peripherer Dendriten. In der dazu selbst entwickelten Stimulationskammer konnten optimale Parameter für die Elektrostimulation, die optimale Konzentration von Nervenwachstumsfaktoren und der gleichzeitige Einfluss entzündungshemmender Medikamente wie Dexamethason (Alpha-6-Desoxy-5-hydroxytetracyclin) ermittelt werden. Die Ergebnisse sind Grundlagen für ein mögliches Local Drug Delivery mit Hilfe des Elektrodenträgers. In ihnen können Kavitäten eingebracht werden oder kann mit Polymeren beschichtet werden, aus denen heraus die gezielte Freisetzung der Zielmedikamente erfolgt.

Zur Untersuchung der physiologischen Effektivität dieser Elektrodenoptimierungen wurde bereits in früheren Arbeiten ein tierexperimentelles Cochlea-Modell an der Katze und am Meerschweinchen etabliert. In akuten und chronischen Versuchen konnten die spezifischen elektrophysiologischen Eigenschaften verschiedener modifizierter Cochlea-Implantat-Elektroden bestimmt werden. Das Modell wurde auf zusätzliche Anwendungen im Bereich des zentralen auditorischen Systems erweitert. Hierzu wurde eine penetrierende Mehrkanalelektrode für den Colliculus inferior entwickelt, die u.a. auch eine neue Therapie für Patienten mit neuraler Taubheit ermöglicht. Entscheidend für die Auswahl des Colliculus inferior als Zielstruktur für die Elektrostimulation war die streng ausgebildete, tonotope Organisation in Frequenzschichten in paralleler Anordnung zur Oberfläche, so dass Untersuchungen zur Reizselektivität der verschiedenen optimierten Elektroden in direktem Vergleich möglich ist.

In der zweiten Förderperiode werden, basierend auf diesen Ergebnissen und methodischen Vorarbeiten, die verschiedenen Ansätze zur Optimierung der Elektroden-Nerven-Schnittstelle fortgeführt. Ziel ist die selektive Verbindung neuronaler Zielzellen mit dem elektrischen Kontaktmedium der Elektrode, um dadurch eine grundsätzliche Verbesserung der Kanaltrennung zu erzielen. Dadurch lässt sich die Informationsübertragungskapazität an dem technisch-biologischen Interface deutlich erhöhen, was als Voraussetzung für eine wesentliche Verbesserung der erzielten Hörergebnisse, insbesondere bei Hören im Störgeräusch sowie zum Musikhören angesehen werden muss.

Die durchzuführenden Arbeiten umfassen die physikalische Materialbearbeitung (Mikro- und Nanostrukturierung), die Funktionalisierung der Oberfläche durch Beschichtung mit Polymeren, die Biologisierung durch extrakorporale Besiedlung mit neuronalen Vorläuferzellen und genetisch modifizierten humanen Stammzellen zur Autoproduktion neurotropher Faktoren, die in vitro Testung dieser modifizierten Elektroden sowie die in vivo Testung des gesamten Elektrodenträgers hinsichtlich elektrophysiologischer Eigenschaften, Biokompatibilität und der Langzeitgewebereaktionen einschließlich möglicher immunologischer Reaktionen.

Die definierte physikalische Modifikation der Oberfläche durch Laserstrukturierung und Polymerbeschichtung geeigneter Elektrodenmaterialien (bezüglich mechanische Festigkeit, Elastizität, Korrosions- und Elektrolysebeständigkeit, Ladungskapazität, Biokompatibilität) soll eine gezielte Modulation und Steuerung der Zell- und Gewebs-Implantat-Wechselwirkung erlauben. Die Reproduzierbarkeit der Herstellung dieser modifizierten Materialien wird mit ausgearbeitet.

Die Polymerbeschichtung dient der gezielten Modulation der Zell- und Gewebereaktion durch Regulation der Proteinabsorption und Zelladhäsion.

Die physikalisch und chemisch funktionalisierten Elektrodenoberflächen sollen mittels Elektronenmikroskopie und Atomic-Force-Mikroskopie (AFM) genau analysiert und definiert werden. Das AFM dient auch zur Bestimmung der Zelladhäsionskräfte.

Die vorstrukturierten Elektroden sollen anschließend mit neuronalen Vorläuferzellen und humanen mesenchymale Stammzellen besiedelt werden, um so die ortständige spezifische Gewebsintegration zu ermöglichen. Dadurch soll das unspezifische Aufwachsen von Fibroblasten respektive Gliazellen verhindert und gleichzeitig das Insertionstrauma gemindert werden. Die humanen mesenchymalen Stammzellen sollen genetisch so programmiert werden, dass eine autonome Produktion neurotropher Faktoren zur gezielten Regeneration der Dendriten mit Aufwachsen auf die Elektrodenoberfläche erreicht werden kann. Die so biologisch funktionalisierten Elektroden werden im etablierten tierexperimentellen Modell hinsichtlich ihrer physiologischen Effektivität (elektrische Kanaltrennung, Annäherung an ein physiologisches Erregungsmuster, frequenzspezifische Anregung, reduzierte Impedanzen und Potentialschwellen, erweiterter Dynamikbereich) untersucht.