Ein Forschungsteam unter Beteiligung des russischen Instituts Skoltech, des Instituts für Zytologie und Genetik der SB RAS sowie weiterer medizinischer Forschungszentren in Russland hat bei einer Maus Atmung und Herzschlag verändert, indem es deren Vagusnerv kabellos stimulierte. Die elektrischen Impulse stammten nicht von einem klassischen Draht, sondern von ungiftigen, magnetischen Mikropartikeln, die im Nervengewebe wie winzige Elektroden arbeiten. Die Arbeit wurde in der Fachzeitschrift Advanced Functional Materials veröffentlicht und gilt den Autoren zufolge als möglicher, weniger invasiver Ersatz für chirurgisch ins Gehirn eingesetzte Elektroden.
- Ungiftige magnetische Mikropartikel stimulierten kabellos den Vagusnerv einer Maus.
- Im Versuch stiegen die Atemfrequenz und sank die Herzfrequenz nach Überschreiten eines Schwellenwerts.
- Die Partikel bestehen aus dem abbaubaren Polymer Polymilchsäure mit eingelagerten Eisenoxid-Stäbchen.
Hintergrund der Forschung ist ein etabliertes, aber belastendes Verfahren: die tiefe Hirnstimulation. Dabei werden Elektroden operativ ins Gehirn eingepflanzt, um dort gezielt elektrische Impulse abzugeben. Eingesetzt wird die Methode heute unter anderem bei Parkinson, essenziellem Tremor, medikamentenresistenter Epilepsie und Zwangsstörungen. Erforscht wird sie zudem bei Alzheimer und anderen Demenzformen, dem Tourette-Syndrom, therapieresistenter Depression, Suchterkrankungen, chronischen Schmerzen und Cluster-Kopfschmerz. In der Regel kommt sie erst zum Einsatz, wenn Medikamente und andere Behandlungen versagen und die Erkrankung schwer verläuft.
Der Ausgangspunkt: ein Stück Metall im Gehirn
Genau diese Invasivität war für das Team der Antrieb. „Trotz der offensichtlichen Vorteile: Wenn man eine dieser Elektroden in der Hand hält oder den Hirnscan eines Patienten mit einem fünf Zentimeter langen Stück Metall im Gehirn betrachtet, fragt man sich unweigerlich, ob es eine weniger invasive Alternative gibt“, sagt Mitautor Professor Gleb Sukhorukov, der am Skoltech das Zentrum für Bio- und Medizintechnologien leitet.
Das Ziel: Elektroden durch biokompatible Mikropartikel zu ersetzen, die etwa so groß sind wie einzelne Neuronen und sich per Injektion einbringen lassen.
„Sicher, eine Injektion ins Gehirn ist noch immer invasiv, aber deutlich weniger“, so Sukhorukov. „Und falls es gelingt, diese Partikel etwa zehnmal kleiner zu machen, käme auch eine verbesserte nasale Verabreichung infrage.“
Wie die neuen Partikel gebaut sind
Der Ansatz an sich ist nicht neu – frühere Varianten setzten jedoch auf die giftigen Metalle Kobalt oder Nickel. Der entscheidende Fortschritt liegt in der Biokompatibilität: Die neuen Partikel kommen ohne toxische Materialien aus. Sie haben die Form eines Eishockey-Pucks und bestehen aus dem Polymer Polymilchsäure (PLA), in das viele winzige Stäbchen aus Eisenoxid eingelagert sind. Trotz des Wortteils „Säure“ ist das abbaubare PLA ein fester, milchig-weiß aussehender Kunststoff.
Hergestellt werden die Partikel, indem magnetische Nanostäbchen einer PLA-Lösung beigemischt und in Mikrovertiefungen gegossen werden, deren Durchmesser die spätere Partikelgröße vorgibt. Anschließend härtet das Material in einem Magnetfeld aus, das alle Metallstäbchen ausrichtet – wie viele winzige Kompassnadeln. Diese Ordnung ist für die spätere Funktion entscheidend.
Der Versuch: Kontakt mit dem Vagusnerv
Um die Wirksamkeit zu prüfen, brachte das Team die Partikel chirurgisch in Kontakt mit dem Vagusnerv einer Maus. Dieser Nerv steuert unter anderem Herzfrequenz, Atmung und Verdauung. Berühren sich ein magnetisches Partikel und ein einzelnes Neuron – beide sind etwa gleich groß – lässt sich die Zelle durch Aktivierung des Partikels erregen. Ausgelöst wird dies über ein veränderliches Magnetfeld: Es drückt die Metallstäbchen gegen das Polymer. Da PLA piezoelektrisch ist, erzeugt es bei mechanischer Belastung Strom – und diese elektrischen Impulse wirkten sich im Versuch auf Atmung und Herzschlag der Maus aus.
„Dies ist das erste Experiment im Tiermodell, das zeigt, dass ungiftige magnetische Mikropartikel diese unwillkürlichen Prozesse beeinflussen können“, sagt Sukhorukov. Nach Überschreiten der Aktivierungsschwelle beobachtete das Team eine erhöhte Atemfrequenz und eine verringerte Herzfrequenz.
Was als Nächstes geplant ist
Für spätere medizinische Anwendungen sollen laut den Forschenden weniger invasive Wege wie Injektionen oder eine verbesserte nasale Verabreichung im Vordergrund stehen. Das Team kündigte an, noch in diesem Jahr damit zu beginnen, konkrete Erkrankungen und Verletzungen im Mausmodell nachzubilden – darunter Gehirnerschütterungen.
Einzuordnen ist all das mit Vorsicht: Es handelt sich um eine Grundlagenstudie im Tiermodell. Für Patientinnen und Patienten würde ein erfolgreicher Ansatz bedeuten, dass sich eine hochwirksame, bislang aber nur als letzte Option genutzte Therapie eines Tages mit deutlich geringerem Eingriff einsetzen ließe. Bis dahin ist es allerdings ein weiter Weg – der erste Nachweis am Menschen steht noch aus.
Würden Sie eine injizierbare Alternative zu implantierten Hirnelektroden für einen Fortschritt halten – oder überwiegt bei einer Technik, die Nerven per Magnetfeld steuert, die Skepsis? Schreiben Sie uns Ihre Einschätzung.
