NIFE-Hannover
Biofunktionalität – VIANNABiofunctionality and functionalization VIANNA
NIFE-Hannover
Menü

NIFE Video

Unsere Partner

Biofunktionalität und Funktionalisierung sind wesentliche Forschungsaufgaben der medizinischen Implantatentwicklung in den verschiedenen Anwendungsfeldern. Diese Optimierung der zellspezifischen Implantatoberfläche und der damit untrennbar verbundenen Funktion des Implantates ist von grundsätzlicher Bedeutung in allen der im NIFE zusammengeführten Organsysteme.

Die optimierte Elektroden-Nerven-Schnittstelle von z. B. Audio- und Neuroprothesen soll durch Mikro- und Nanostrukturierung biokompatibler Elektrodenmaterialien, deren (bio-) chemische Funktionalisierung und Biologisierung einschließlich Local Drug Delivery mit Herstellung einer zellspezifischen Verbindung (künstliche Synapse) zu den Neuronen erzeugt werden. Auf diese Schnittstelle muss die Signalcodierung z. B. des akustischen Signals optimal abgestimmt werden, um eine möglichst natürliche und neuronal verwertbare Information dem Gehirn anzubieten. Klinisch ist die Funktionalisierung von Implantaten in der Audio- und Neuroprothetik besonders relevant: Über 15 % der Gesamtbevölkerung sind von einer behandlungsbedürftigen Schwerhörigkeit betroffen. Altersbezogen steigt dieser Anteil von 0,1 % bei Neugeborenen auf ca. 50 % bei den über 65-Jährigen an. Aufgrund des demographischen Wandels ist mit einem weiteren Anstieg zu rechnen. 20 % leiden unter einer sog. Schallleitungsschwerhörigkeit, meist als Folge einer chronischen Mittelohrentzündung mit Schädigung im Bereich des Mittelohres. 80 % weisen eine sog. Schallempfindungsschwerhörigkeit vor allem durch Schädigung der Hörsinneszellen im Innenohr auf, die heute nicht regeneriert werden können.

In den letzten zwanzig Jahren wurde eine breite Palette von Hörsystemen (apparative Hörhilfen) entwickelt, die es erlauben, unterschiedliche Arten und Grade von Schwerhörigkeiten prothetisch zu behandeln. Wesentliche Fortschritte wurden bei der sog. Signalverarbeitung, den akustischmechanischen Wandlern sowie Reizelektroden dieser Prothesen erzielt. Für Patienten mit mittel bis hochgradiger Schwerhörigkeit werden passive Implantate oder mechanische Wandler zur direkten Stimulation des Mittel- und Innenohres eingesetzt, bei hochgradiger Schwerhörigkeit und Taubheit erfolgt eine direkte elektrische Reizung des Hörnervs durch Cochlea-Implantate. Mit Cochlea-Implantaten ist bei der Mehrzahl der ertaubten Menschen ein Sprachverstehen ohne zusätzliche Hilfe bzw. eine normale Sprachentwicklung bei gehörlosen Kindern möglich. Heutige Prothesen erlauben jedoch keine vollständige Wiederherstellung des normalen Gehörs. Das Sprachverstehen im Störgeräusch, das Richtungshören und somit die Kommunikationsfähigkeit im Alltag sowie das Musikhören sind erheblich eingeschränkt. Eine wesentliche Ursache für diese eingeschränkte Leistungsfähigkeit der Hörprothesen ist z. B. die stark limitierte Zahl von Informationsübertragungskanälen, die nur ca. 1/100stel des normalen Gehörs beträgt, und die geringe Spezifität der elektrischen Hörnervenreizung.

Sowohl die Implantat-Gewebe-Schnittstelle als auch die Biofunktionalität sollen zentral untersucht werden. Die kooperierenden Wissenschaftler im NIFE haben im Rahmen des SFB 599 und SFB TR 37 sowie des EU-Projektes NanoEar und dem Exzellenzcluster Hearing4all Arbeitsgruppen gebildet, die die grundlegenden wissenschaftlichen Fragestellungen bearbeiten und eine herausragende methodische Expertise aufbauen konnten.

Die im NIFE geplanten Forschungsarbeiten zielen auf die funktionelle Wiederherstellung des Hörvermögens sowie anderer neuronaler Funktionen. Dazu gehören die Wiederherstellung des natürlichen Erregungsmusters im ZNS und die Optimierung der Elektroden-Nerven-Schnittstellen. Es sollen biohybride Elektroden mit künstlichen Synapsen und alternative Stimulationsmodi mit optoakustischen, biophotonischen und mechanischen Aktuatoren entwickelt werden. Spezifisch soll z. B. untersucht werden, ob durch Beschichtungen mit kolloidalen lasergenerierten Platin-, Platin-Iridium- oder Wolfram-Nanopartikeln die Langzeitstimulation oder die Ableiteigenschaften von Mikroelektroden verbessert werden können. In der Elektrodenentwicklung gibt es bereits bestehende Zusammenarbeiten zwischen Lenarz (HNO-Klinik) und der Neurochirurgie (Schwabe, Krauss) sowie dem Laserzentrum (AG Nanomaterialien, Chichkov).

Das zukünftige Hörimplantat soll zusätzlich ein Local Drug Delivery (fluid-basiert, degradable Polymerbeschichtung, Nanopartikel) zur Protektion des Resthörvermögens, zur Regeneration und Gentherapie einerseits sowie zellularisierte Elektroden andererseits beinhalten. Dadurch sollen eine Ausbildung echter neuronaler Schnittstellen und die stammzellbasierte Regeneration des geschädigten Organs, beispielsweise durch den Einsatz mesenchymaler Stammzellen, möglich werden. Die Funktionalisierung der Oberfläche von Hörimplantaten zur Funktionsverbesserung beinhaltet die physikalische Mikro- und Nanostrukturierung, die chemische/biochemische Funktionalisierung durch Polymerbeschichtung bzw. durch kovalente Bindung biologisch aktiver Gruppen und pharmakologischer Substanzen. Außerdem soll die biologische Funktionalisierung durch Adhäsion genetisch modifizierter Zellen, die Wachstumsfaktoren überexprimieren und an das umgebende cochleäre Gewebe abgeben, verbessert werden. Die Optimierung und Charakterisierung der Elektroden-Nerv-Interaktionen soll exemplarisch an Cochlea-Implantat-Elektroden und zentralauditorischen Elektroden (Auditory-Midbrain-Implant [AMI]) durchgeführt werden. Gemeinsam mit der AG Nanomaterialien des LZH (Chichkov) werden multifunktionale Nanopartikel entwickelt, die es erlauben, verschiedene Moleküle wie Chemikalien, Proteine, Gene oder Genprodukte an das Cochlea-Implantat anzukoppeln, in das Innenohr zu transportieren, dort gezielt freizugeben und eine spezifische Wirkung bei geringer Toxizität zu entfalten. Die Funktionalisierung und Mikrostrukturierung der Oberflächen wird durch laseroptische Verfahren (Chichkov, Lubatschowski) in Zusammenarbeit mit den Arbeitsgruppen aus der HNO-Klinik vorgenommen (Lenarz, Kral). Mit eingebunden ist die anorganische Chemie der LUH (Behrens). Die Arbeiten mit transfizierten Zellen und Stammzellen werden von der HNO-Klinik, MHH (Warnecke) mit der Klinik für Kleintiere, TiHo (Nolte) und der Klinik für Unfallchirurgie, MHH (Hoffmann) durchgeführt. Über Imaging Verfahren (Heisterkamp) sollen die Integration der Zellen und die Optimierung der Eletroden-Nerv-Interaktion in vivo verfolgt werden. Zulassungsrelevante Studien können durch das Ototoxikologie Labor der HNO-Klinik (Voigt) in Zusammenarbeit mit BioMedimplant (Sowa-Söhle) und dem HCTC (Hannover Clincal Trial Center) durchgeführt werden. Die Überprüfung der Funktionalität der Hör- und Neuroprothesen wird an geeigneten Tiermodellen untersucht.

Ein wesentlicher Nachteil der elektrischen Stimulation ist die Ausbreitung des elektrischen Feldes, das sich bei homogenem Widerstand kugelförmig ausbreitet. Laserlicht ist inhärent viel fokussierter. Die Grundlagen räumlich selektiver Aktivierung des Nervensystems durch Optoaktoren wurden in Ansätzen im SFB TR 37 untersucht Dies wird im Rahmen des Exzellenzclusters H4a fortgeführt. Eine „biophotonische“ Stimulation ermöglicht eine sehr genau umgrenzte Anregung des Gewebes, was gerade im Innenohr besondere Vorteile bietet. Die hierfür entwickelten Optoaktoren werden hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften für eine atraumatische Positionierung durch geeignete nanomechanische Aktoren optimiert. Effektivität und die Beurteilung möglicher Schädigungspotenziale werden anhand isolierter Cochleaproben sowie in akuten Tierversuchen und die Biokompatibilität und Langzeitstabilität im Rahmen von geeigneten tierexperimentellen Modellen untersucht.

Die AG Optoakustik (Lenarz, Kral, Baumhoff, Balster) kooperiert in diesen Arbeiten eng mit den Arbeitsgruppen von Ripken (Biomedizinische Optik, Biophotonik) und Ertmer (Institut für Quantenoptik der LUH). Die Elektrophysiologie, zentrale Verarbeitung, Effekte der Gehörlosigkeit, Interaktionen von elektrischer und akustischer Reizung bei Restgehör, Fragen zur zentralen Laserstimulation, wie auch funktionale Tests von Oberflächenkonditionierung werden von der AG um Kral, in Zusammenarbeit mit Büchner, Kopp und bearbeitet.

Neben der elektrischen und optischen Stimulation der Schnittstelle Implantat-Nervengewebe ist für eine objektive Beurteilung der Effektivität dieser neuen Strategien die Überprüfung der Signalverarbeitung beim Einsatz von auditorischen Implantaten von hohem Interesse. Hierfür gibt es bisher keine geeigneten Ansätze. Durch Entwicklung neuer energieoptimierter Signalverarbeitungsstrategien sollen natürliche neuronale Erregungsmuster hervorgerufen und damit eine bessere auditive Diskriminationsleistung erreicht werden. Durch diese neue Vorgehensweise sollte eine deutliche Beschleunigung bei der sukzessiven Annäherung der neuralen Erregungsmuster zwischen elektrischer und natürlicher Stimulation der Cochlea erreicht werden. Die AG Signal Processing (Büchner) arbeitet an dieser Fragestellung seit Jahren sehr erfolgreich mit dem Institut für Informationstechnologie der LUH (Edler, Ostermann) und der Neurologischen Klinik der MHH (Dengler) zusammen.

Parallel zur Entwicklung auditorischer Implantate sollen spezielle Operationstechniken zu ihrer minimalinvasiven Insertion entwickelt werden. In einem dreistufigen Konzept werden am Beispiel der Integration von Cochlea Implantaten (CI) gerätetechnische Anpassungen sowie neue Funktionsmuster entwickelt, die präklinisch und klinisch erprobt werden. Möglichkeiten des minimal-invasiven Zugangs für CI-Operationen, roboterassistierter Bohrung, navigationsgestützter Positionierung des Bohrers und mini-stereotaktischer Bohrung, sowie der Positionierung der Elektroden mittels automatisiertem Insertionstool werden entwickelt und getestet. Dazu werden Untersuchungen der Elektrodenkinematik passiver CI-Elektroden, die Optimierung der Insertion durch Berücksichtigung des spezifischen Krümmungsverhaltens, die Entwicklung aktiver CI-Elektroden für eine steuerbare Insertion, z. B. durch Integration von Formgedächtnis-Elementen in Form einzelner Drähte, Multiaktoren-Arrays oder hydraulische Aktoren durchgeführt. Die Umsetzung dieser hochgenauen chirurgischen Verfahren ermöglichen die patientenindividuelle Implantation durch einen minimalinvasiven, roboterassistierten chirurgischen Eingriff. Diese neu entwickelten OP-Techniken können auch in anderen Bereichen, wie beispielsweise der Orthopädie, Anwendung finden. Die Arbeitsgruppe CRAS (Computer- und Roboterassistierte Chirurgie, Majdani) arbeitet hier eng mit dem Institut für Mechatronische Systeme der LUH (Ortmaier) zusammen.

Die im Bereich der Biofunktionalität und Funktionalisierung erarbeiteten Ergebnisse kommen auch den anderen organspezifischen Arbeitsgruppen im NIFE zu Gute. Es werden die bestehenden Zusammenarbeiten aus den Sonderforschungsbereichen und dem Exzellenzcluster weiterentwickelt und durch die räumliche Bündelung der unterschiedlichen Gruppen im NIFE optimiert. Durch die räumliche Nähe zum Deutschen HörZentrum Hannover (DHZ) mit den dort vorhandenen Industriepartnern ist ein direkter Übergang der erzielten Ergebnisse der Grundlagenforschung in die damit zusammenhängende klinische Forschung hervorragend realisiert.