LOGOS-TBI: Licht-kontrollierte organische Halbleiter-Implantate bei SHT

Das Schädel-Hirn-Trauma (SHT) bezeichnet eine Verletzung neuronaler Strukturen im Gehirn aufgrund von äußerer Krafteinwirkung. Die Beeinträchtigung der häufig sehr jungen SHT-Patienten im täglichen Leben stellt eine starke Belastung für die betroffene Person dar und führt zu hohen Kosten im Gesundheitswesen. In den vergangenen Jahren wurde die elektrische Stimulation von Nerven getestet, um verlorengegangene synaptische Verbindungen im Gehirn zu ersetzen und die Regeneration eines neuronalen Netzwerkes anzuregen. Derzeitige Methoden der Elektrostimulation benötigen jedoch eine umfassende Verkabelung oder eine genetische Modifikation im Gehirn. In diesem Projekt entwickeln wir ein grundlegend neues Konzept, um Nervenzellen mit lichtaktiven Halbleiterstrukturen (sog. Photocaps) zu stimulieren. Unsere Technologie ermöglicht es, das Wachstum von Zellfortsätzen zu induzieren um dadurch synaptische Verbindungen von Nervenzellen zu regenerieren. Dadurch werden neuronale Schaltkreise aufgebaut und das regenerative Potential der Neuronen verstärkt. Das hier vorgestellte Projekt stellt einen vielversprechenden Ansatz dar, therapeutische Strategien für traumatische Gehirnverletzungen zu entwickeln. Die Stimulierung mittels Licht stellt eine gering invasive, leicht zu handhabende und erfolgversprechende Methode dar. Photocaps werden aus biokompatiblen, organischen und handelsüblichen Farbpartikeln hergestellt und können in flexibler Form angefertigt werden. All diese Vorteile der vorgestellten Photocaps ebnen den Weg für eine innovative klinische Anwendung. Dieses Forschungsprojekt wird durch ein interdisziplinäres Teamvon WissenschafterInnen bearbeitet: Dr.Muammer Ücal (Neurotraumatologie, MUG), Drin. Susanne Scherübel und Drin. Karin Kornmüller (Biophysik, MUG) und Drin. Theresa Rienmüller (Health Care Engineering, TUG). Gemeinsam soll während der nächsten vier Jahre die Regenerationsfähigkeit von Neuronen nach einem SHT in Ratten untersucht werden, wobei molekularbiologische, elektrophysiologische und bildgebende Methoden sowie mathematische Modellbildung zum Einsatz kommen werden. .

Die Neurostimulation ist sowohl in der Forschung als auch in der klinischen Anwendung ein zentrales Verfahren. Die Entwicklung drahtloser Neurostimulationsmethoden stellt ein wichtiges Ziel in diesem Bereich dar, wobei die Forscher darauf abzielen, die Invasivität zu minimieren und den Patientenkomfort zu erhöhen, indem sie die umfangreiche Verkabelung für die Behandlung von Problemen des Nervensystems wie Tremor, Epilepsie und die Verbesserung der Rehabilitation nach einem Schlaganfall oder einer Verletzung eliminieren. Organische elektrolytische Photokondensatoren (OEPC) sind besonders vielversprechend, wenn es darum geht, einfache und drahtlose Geräte zu entwickeln. Sie wandeln Lichtpulse innerhalb dünner Schichten in elektrische Felder um, wodurch die Größe der Stimulationsgeräte erheblich reduziert und gleichzeitig die Stimulation erregbarer Zellen gewährleistet wird. Hauptziel dieses Projekts war es, die Durchführbarkeit, Biokompatibilität und Wirksamkeit drahtloser, lichtgesteuerter OEPC bei der Neurostimulation und bei der Verstärkung endogener regenerativer Wirkungen zu untersuchen. Anhand verschiedener Modelle, die Zell- und Gewebekulturen, Computer- und Tiermodelle umfassen, konnten wir zeigen, dass diese Geräte für semichronische Anwendungen sicher und biokompatibel sind. Die Lichtstimulation von Gehirnzellen auf OEPC führte zu einer erhöhten Nervenzellaktivität. Dieser Effekt wurde in erster Linie durch die photoaktive Schicht des Geräts erzielt, wobei eine Signalausbreitung innerhalb des neuronalen Netzwerks beobachtet wurde. Die Stimulation von Hirngewebekulturen mit OEPC führte ebenfalls zu einer erhöhten Nervenzellaktivität. Tägliche Stimulationsbehandlungen über einen Zeitraum von sieben Tagen führten zur Bildung von Regenerationsproteinen in den Gewebekulturen, was auf mögliche positive Auswirkungen der Behandlung hindeutet. In einem Tiermodell wurden flexible OEPC auf die Oberseite von Rattengehirnen implantiert. Drei Wochen nach der Implantation führte die Stimulation der OEPC zu einer erhöhten Nervenaktivität nicht nur in den oberflächlichen Bereichen, sondern auch in den tieferen Hirnregionen, und zwar in beiden Gehirnhälften, was auf eine Signalausbreitung im gesamten Gehirnnetzwerk hindeutet. Die implantierten Geräte lösten keine Fremdkörperreaktionen aus und blieben während der Implantationszeit funktionsfähig. Die Elektronenmikroskopie zeigte eine glattere Oberfläche des implantierten Geräts, was auf eine leichte Abnutzung der Geräte hindeutet, die die Funktionalität des Geräts jedoch nicht beeinträchtigte. Die erfolgreiche Anwendung von OEPC könnte für den Bereich der Hirnstimulation von großem Nutzen sein, da sie eine drahtlose, federleichte Alternative zu herkömmlichen Methoden darstellt. Die Geräte zeigten sowohl Sicherheit und Funktionalität für Anwendungen über einen halbchronischen Zeitraum als auch Indikatoren für regenerative Reaktionen im Nervengewebe, was ihr Potenzial als therapeutische Implantate oder Plattformen für die Behandlung von Hirnverletzungen unterstreicht. Die vollständige Bewertung ihrer Sicherheit und Wirksamkeit erfordert jedoch längere Untersuchungen in präklinischen Anwendungen.