Neue Rückenmarksimplantate zeigen Hoffnung für die Genesung nach SCI

Ein Team von Ingenieuren der University of Auckland hat bedeutende Fortschritte bei der Entwicklung eines implantierbaren elektronischen Geräts demonstriert, das Menschen mit Rückenmarksverletzungen die Wiederherstellung von Funktionen ermöglichen soll. Das leichte Implantat könnte die Behandlung von Rückenmarksverletzungen künftig revolutionieren. Hier ist, was Sie wissen müssen.

Rückenmarksverletzungen

Ihr Rückenmark besteht aus röhrenförmigem Gewebe, das vom Hinterkopf entlang Ihrer Wirbelsäule bis zum unteren Lendenbereich verläuft. Es spielt eine zentrale Rolle als Hauptverkehrsweg, über den Ihr Nervensystem und das Gehirn mit dem Rest Ihres Körpers kommunizieren. Insbesondere ist es für wichtige Aufgaben wie Reflexe und die Steuerung Ihrer Bewegungen verantwortlich.

Die entscheidende Rolle, die Ihr Rückenmark in Ihrem Körper spielt, kann nicht genug betont werden. Daher kann jede Schädigung des Rückenmarks zu zahlreichen Beschwerden führen, darunter neuropathische Schmerzen, Verlust von motorischen und sensorischen Fähigkeiten, unkontrollierte Darmfunktionen und sogar sexuelle Dysfunktion.

Laut aktuellen Studien leben weltweit derzeit über 15 Millionen Menschen mit einer Rückenmarksverletzung (SCI). Diese Verletzungen reichen von leichten Beschwerden bis hin zur Unfähigkeit, grundlegende Alltagsaufgaben zu erledigen. Kleine Dinge wie die Benutzung der Toilette oder das Zubereiten von Mittagessen können für Betroffene unmöglich werden. Noch schlimmer ist, dass sich ein Trend zu mehr SCI-Fällen abzeichnet. Es wird geschätzt, dass in diesem Jahr weitere 200‑500 Tausend Menschen von SCI betroffen sein werden.

Warum Rückenmarksverletzungen so schwer zu heilen sind

Es gibt viele Aspekte von SCI, die sie schwieriger zu behandeln machen als andere Verletzungen. Zum einen heilt das Rückenmark nicht so schnell wie andere Körperteile. Folglich kann jede während des Lebens verursachte Schädigung dauerhaft werden.
Forscher erkannten bereits vor langer Zeit, dass die Entwicklung einer Behandlung, die das Rückenmark effektiv regenerieren lässt, ein Wendepunkt wäre. Angesichts der Schwere der meisten SCI ist klar, dass selbst kleine Verbesserungen der Patientenfunktionen zu erheblichen Verbesserungen der Lebensqualität führen.

Methoden zur Behandlung von Rückenmarksverletzungen

Forscher haben zahlreiche verschiedene Ansätze ausprobiert, um eine wirksame Behandlung für SCI zu finden. Ein Ansatz, der an Schwung gewonnen hat, ist die Anwendung von niederfrequenten elektrischen Feldern mit wechselnder Polarität. Insbesondere wurden hochfrequente Neuromodulationsimpulse auf das Rückenmark gefunden, die die Regeneration unterstützen.
Diese Behandlung beruht auf Elektroden, die in den Muskel direkt über der Dura mater implantiert werden. Der Ansatz gewann an Geschwindigkeit, nachdem Forscher Erfolge bei nicht‑menschlichen Probanden, darunter Neunaugen, Meerschweinchen und Hunde, verzeichneten. Dieser Erfolg führte dazu, dass die ersten menschlichen Patienten die Behandlung erhielten.

Wie die Wirbelsäule entsteht

Diese Behandlungsstrategie funktioniert, weil elektrische Felder die frühe Entwicklung des Nervensystems beeinflussen. Wenn sich Ihr Körper entwickelt, helfen elektrische Felder dem Rückenmark, seinen Weg vom Hirnstamm bis zum unteren Rücken zu finden. Besonders fördern diese elektrischen Impulse das Wachstum von Gewebe und Nerven.

Probleme mit aktuellen SCI-Behandlungen

Obwohl die Wissenschaft, elektrische Impulse zur Behandlung von SCI einzusetzen, noch erforscht wird, gibt es einige Hürden für eine breitere Anwendung. Zum einen basierten frühere Behandlungen auf implantierten elektrischen Knoten. Diese Knoten bestanden aus Metall, das im Laufe der Zeit korrodieren kann, wodurch die Wirksamkeit der Behandlung verringert und möglicherweise weitere Komplikationen verursacht werden.

Zusätzlich kann die Platzierung dieser Elektroden zu unregelmäßigen Messwerten führen, was die Fähigkeit der Behandlung, eine langfristige Regeneration zu fördern, einschränkt. Auch die Findung des richtigen Signals und der optimalen Stärke für die Niederfrequenzstimulation gestaltet sich schwierig, da das Signal im Laufe der Zeit durch Korrosion abnimmt.

Leider können die korrodierenden Knoten den Körper schädigen, den pH-Wert verändern und Metallnebenprodukte sowie Ionen in den Körper einbringen. Glücklicherweise hat ein Wissenschaftsteam einen neuen Ansatz vorgestellt, der viele dieser Probleme lösen könnte und Millionen von Menschen mit SCI weltweit helfen kann.

Studie zu Rückenmarksimplantaten

Ein Team von Ingenieuren aus Waipapa Taumata Rau, University of Auckland, demonstrierte eine neuartige Behandlungsmethode für SCI in der Studie „Daily electric field treatment that improves functional outcomes after thoracic contusion spinal cord injury in rats“.

Dieses Papier befasst sich mit der Entwicklung eines fortschrittlichen Ultra‑Dünnfilm‑Geräts, das unter der Dura mater implantiert werden soll. Das Implantat verwendet Superkondensator‑Elektroden und niedrige Frequenzen, um die Biokompatibilität zu erhöhen, was die Erstellung langfristiger Behandlungsstrategien erleichtert.

Quelle – University of Auckland

Entwickelt, um das Leben nicht zu behindern

Die Ingenieure wussten, dass ihr Implantat ultra‑dünn sein musste, um komfortabel an Ort und Stelle zu bleiben. Sie begannen damit, die Elektroden neu zu konzipieren. Sie verzichteten auf die in früheren Ansätzen verwendeten Metall‑Elektroden. Stattdessen wurden Elektroden verwendet, die mit sputtierten Iridium‑Oxid‑Filmen (SIROF) beschichtet sind.
Diese Elektroden wurden zudem vergrößert, um ihre Leistungsfähigkeit zu steigern. Insbesondere sollen die Elektroden direkt auf das Rückenmark implantiert werden, wo sie einen kleinen Strom an die verletzte Stelle abgeben können. Die Forscher probierten mehrere Ansätze, bevor sie sich für diese spezielle Dünnfilm‑Fertigungsmethode und das Gerät entschieden.

Polarisierung alternieren

Das neue Rückenmarks‑Implantatsystem appliziert alle 15 Minuten eine wechselnde Ladung auf das beschädigte Gewebe. Diese Ladung ist auf etwa 0,5 mHz eingestellt, wodurch sie das Axonwachstum in beide Richtungen unterstützt. Konkret nutzt das Gerät eine Pulsbreite von 250 ms. Beeindruckend ist, dass dieser Puls deutlich länger ist als bei herkömmlichen Ansätzen und ohne jegliche Rückgangsexposition der Elektroden betrieben werden kann.

Test der Rückenmarksimplantate

Die Wissenschaftler benötigten 12 Wochen, um die Machbarkeit ihrer Studie zu demonstrieren. In der Testphase wurde das Gerät in Laborratten implantiert. Ratten gehören zu den wenigen Tieren, die sich von Rückenmarksverletzungen von selbst erholen können, was sie zu einem idealen Ausgangspunkt für diese Arbeit macht.
Die Ingenieure führten vier Wochen Behandlung durch und überwachten anschließend die Reaktionen der Tiere. Am Ende des Tests wurde das Rückenmarkgewebe der Ratten untersucht. Entscheidend war, dass sowohl behandelte als auch unbehandelte Ratten getestet wurden, um genau zu bestimmen, welche Verbesserungen der Heilungsprozess durch die neue Behandlung erfährt.

Ergebnisse der Rückenmarksimplantat‑Studie

Die Ergebnisse des Tests waren beeindruckend. Die Ingenieure stellten fest, dass die Behandlung bei Ratten nach schweren Rückenmarksverletzungen sicher die Bewegungsfähigkeit wiederherstellte. Das Tier zeigte Anzeichen einer Genesung sowohl der Bewegung als auch der Empfindung.

Im Rahmen des Tests wurden die Pfoten der Ratten einem kleinen elektrischen Strom ausgesetzt. Die Ratten, die die Behandlung erhalten hatten, erkannten den Strom und konnten ihn spüren, reagierten entsprechend und zogen sich zurück. Beeindruckend war, dass sie bereits ab Woche 1 eine verbesserte Heilung im Vergleich zu unbehandelten Ratten zeigten.

Die Daten deuten darauf hin, dass die subdurale Stimulation den Probanden ermöglichte, die Funktion der Hinterbeine und die Tastempfindung zurückzugewinnen. Darüber hinaus entzündete der Ansatz die Wirbelsäule nicht wie herkömmliche Methoden. Sie stellten fest, dass die Elektroden sich wie ihre metallischen Vorgänger in das umgebende Gewebe ausbreiteten.

Das Team untersuchte anschließend die Elektroden, um festzustellen, ob sie nach dem Implantat schädliche Nebenprodukte oder Nebenwirkungen erzeugten. Es gab keine Kontamination, was bedeutet, dass dieser Ansatz es Ingenieuren erlaubt, die Behandlung häufiger und mit geringerem Risiko anzuwenden. Abschließend zeigen die Testergebnisse, dass die behandelten Ratten bei einer Reihe von motorischen Tests bessere Leistungen erbrachten und gleichzeitig höhere Zellzahlen in motorisch relevanten Hirnregionen aufwiesen.

Vorteile von Rückenmarksimplantaten

Viele Vorteile könnten Rückenmarksimplantate zu einem Wendepunkt machen. Erstens gibt es keine wirksame Langzeitbehandlung für Rückenmarksverletzungen. Dieser Ansatz wird die Tür für weitere Forschung zu den langfristigen Auswirkungen von Elektrostimulation auf den Körper öffnen.
Das neue System bietet den Patienten längere Stimulationsperioden. Insbesondere stellt der Bericht fest, dass die neuen Kathoden ihre Vorgänger um das 1000‑fache übertreffen, sodass die Behandlung stärkere Dosen verabreichen kann, ohne dem Patienten Schaden zuzufügen.

Weniger Energie

Die Ingenieure stellten fest, dass der Ansatz mit wechselnder Polarität energieeffizient ist. Er verbraucht nur einen Bruchteil der Energie, die andere implantatbasierte Behandlungen benötigen. Dieser geringe Energiebedarf bedeutet, dass das Gerät vom Körper mittels Piezoelektronik oder anderer Methoden außer Batterien betrieben werden kann.

Tiefere Penetration

Ein weiterer großer Vorteil ist, dass die größeren Elektroden eine tiefere Penetration des elektrischen Feldes (EF) im Rückenmark ermöglichen. Je tiefer die Niederfrequenzsignale eindringen können, desto effektiver ist die Reaktion des Körpers. Beeindruckend verbessert das Gerät die Penetration der elektrischen Pulse, während es den Energieverbrauch senkt.

Komfortables Design

Einer der größten Vorteile dieses Ansatzes ist, dass das Implantat beim Träger keinerlei Unbehagen verursacht. Der ursprüngliche Ansatz nutzte ein wesentlich größeres Gerät, das für den Träger lästig sein und ein potenzielles Schadensrisiko darstellen konnte. Der neue Ansatz mit ultra‑dünnen Geräten bedeutet, dass die Einheit getragen werden kann, ohne dass der Patient sie bemerkt.

Sicherere Anwendung

Das Team wies schnell darauf hin, dass die neue Behandlung wesentlich sicherer ist als alternative Methoden. Konkret dokumentierte das Team deutlich weniger Entzündungen bei den Patienten. Es gab keine Fälle von Rückenmarksschäden, und die Behandlung erzeugte keine irreversiblen faradayschen Reaktionen an der Elektroden‑Gewebe‑Grenzfläche wie ihre Vorgänger. Außerdem löst der Körper keine Immunantwort auf das Gerät aus.

Anwendungen von Rückenmarksimplantaten in der Praxis & Zeitplan:

Es gibt zahlreiche praktische Anwendungen für die Technologie von Rückenmarksimplantaten. Das offensichtliche Anwendungsszenario besteht darin, den Millionen von Menschen, die weltweit an SCI leiden, ein besseres Leben zu ermöglichen. Dieser Ansatz stellt einen gewaltigen Sprung in effektiven Behandlungsstrategien dar.

Zeitplan

Es könnte 7‑10 Jahre dauern, bis diese Technologie offiziell in das medizinische Feld Einzug hält. Es muss noch viel Forschung zu den langfristigen Auswirkungen der Behandlungen durchgeführt werden. Darüber hinaus werden die Ingenieure Jahre damit verbringen, behördliche Zulassungen zu erhalten, da die Behandlung komplex ist und mögliche Fehlentwicklungen erhebliche Auswirkungen auf die Patienten haben können.

Forscher zu Rückenmarksimplantaten

Die Studie zu Rückenmarksimplantaten wurde von Ingenieuren der University of Auckland und der Chalmers University of Technology in Schweden durchgeführt. Das Papier nennt Dr. Bruce Harland als leitenden Forscher der Studie. Zusätzlich erhielt er Unterstützung von Professor Darren Svirskis, Maria Asplund und mehreren anderen Wissenschaftlern akkreditierter Universitäten.

Zukunft der Rückenmarksimplantate

Die Zukunft dieser Technologie ist vielversprechend. Das Team wird sich nun darauf konzentrieren, das Gelernte zu nutzen, um ein zuverlässiges und präzises Medizinprodukt zu entwickeln. Das Gerät könnte eines Tages Millionen von Menschen mit diesen lebensverändernden Rückenmarksverletzungen zugutekommen. Darüber hinaus wird die Gruppe tiefer in die Forschung zu wesentlichen Aspekten der Behandlung eintauchen, wie Frequenz, Dauer und den Einsatz von Medikamenten in Kombination mit dem Ansatz.

Investitionen in Gesundheitswissenschaften

Der Sektor der Medizintechnikherstellung ist eine wettbewerbsintensive Branche mit mehreren dominierenden Akteuren. Diese Unternehmen produzieren Produkte, die Menschen mit schweren Erkrankungen helfen sollen. Ihr Engagement für die Förderung wissenschaftlicher Forschung und Gesundheit macht sie bei Investoren beliebt. Hier ist ein Unternehmen, das die Führung übernimmt und dabei hilft, Behandlungen auf die nächste Stufe zu heben.

Tiziana Life Sciences (TLSA)

Tiziana Life Sciences (TLSA ) trat 2013 in den Markt ein. Dieses in London ansässige Biotech-Unternehmen spezialisiert sich auf Forschung und Entwicklung von Behandlungen für neuroinflammatorische und neurodegenerative Erkrankungen wie MS, ALS, Alzheimer und mehr. Der einzigartige Ansatz und die Technologie des Unternehmens haben dazu beigetragen, dass es unter den Anbietern von Rückenmarksverletzungs‑Behandlungen einen bekannten Namen erlangt hat.