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Querschnitt durch eine Retina. Gezeigt ist eine Mikroelektrode, die auf eine Ganglienzelle abgesenkt wurde. Mit Hilfe dieser Mikroelektrode können die elektrischen Antworten der Ganglienzelle nach Stimulation durch ein neurochemisches Implantat gemessen werden. Auf diese Weise lässt sich die lichtabhängige Steuerung der Glutamatfreisetzung durch ein neurochemisches Implantat nachweisen.

Querschnitt durch eine Retina. Gezeigt ist eine Mikroelektrode, die auf eine Ganglienzelle abgesenkt wurde. Mit Hilfe dieser Mikroelektrode können die elektrischen Antworten der Ganglienzelle nach Stimulation durch ein neurochemisches Implantat gemessen werden. Auf diese Weise lässt sich die lichtabhängige Steuerung der Glutamatfreisetzung durch ein neurochemisches Implantat nachweisen.

Querschnitt durch eine Retina mit angefärbten Neuronen. Bei einer Retinaerkrankung sterben die lichtempfindlichen Photorezeptoren (PhRAS, PhRZB) ab und es bleiben nur noch die nachgeschalteten Neurone (HZ, BZ, AZ, GZ) und deren Verschaltungen übrig. Das neurochemische Implantat soll die ursprüngliche Aufgabe der Photorezeptoren, die lichtabhängige lokale Freisetzung des Signalbotenstoffs Glutamat (Pfeile) übernehmen. Dadurch können, wie in einer gesunden Retina, die nachfolgenden Neurone gezielt erregt und die Lichtinformation an das Gehirn weitergeleitet werden.

Querschnitt durch eine Retina mit angefärbten Neuronen. Bei einer Retinaerkrankung sterben die lichtempfindlichen Photorezeptoren (PhRAS, PhRZB) ab und es bleiben nur noch die nachgeschalteten Neurone (HZ, BZ, AZ, GZ) und deren Verschaltungen übrig. Das neurochemische Implantat soll die ursprüngliche Aufgabe der Photorezeptoren, die lichtabhängige lokale Freisetzung des Signalbotenstoffs Glutamat (Pfeile) übernehmen. Dadurch können, wie in einer gesunden Retina, die nachfolgenden Neurone gezielt erregt und die Lichtinformation an das Gehirn weitergeleitet werden.

ANI - ein autonomes neurochemisches Implantat

Neuartige Implantate sollen synaptische Funktionen übernehmen, wenn diese gestört sind - zum Beispiel bei Netzhaut-Erkrankungen.

Projektname: ANI
Autonomes neurochemisches Implantat
Projektleiter: Prof. Dr. Elke Guenther
Geldgeber: BMBF
Projektträger: VDI VDE
FKZ: 16SV3888
Laufzeit von: 01.10.2009
Laufzeit bis: 30.09.2012

Autonome neurochemische Implantate (ANI) könnten durch eine gezielte und steuerbare Freisetzung des Neurotransmitters Glutamat die Funktion einer künstlichen erregenden Synapse im Nervensystem übernehmen. Das Funktionsprinzip des »Glutamatschalters« soll in einer Machbarkeitsstudie an der Netzhaut und hier an den Synapsen der Photorezeptorzellen erarbeitet werden.
Langfristige Perspektive des ANI ist es, das Schaltprinzip mit verschiedenen Neurotransmittern umzusetzen, um geschädigte neuronale Schaltkreise im gesamten Nervensystem ansprechen zu können.

Beschreibung

Die gegenwärtigen Forschungsaktivitäten der Medizintechnik fokussieren auf einen In-vivo-Ersatz von inoperablen Teilen biologischer Systeme durch integrierte, anorganische elektrische Prothesen. Der Vorgang der elektrischen Stimulation ist bei ihnen jedoch wenig spezifisch, da alle Zelltypen und Signalwege in der Umgebung der Elektroden gereizt werden. Darüber hinaus kann die Gabe elektrischer Impulse über einen längeren Zeitraum unter Umständen zu Schädigungen des Gewebes führen. Im Gegensatz dazu hat ein »neurochemisches« Implantat den Vorteil, dass es direkt die Freisetzung des physiologischen Neurotransmitters steuert und damit die postsynaptischen Zellen selektiv und physiologisch stimuliert werden.

Ziel unseres Projektes ist die Entwicklung und Realisierung eines solchen autonomen neurochemischen Implantats in der Netzhaut, das als anorganisch/organisches System die Funktion degenerierter Photorezeptoren übernimmt und die noch vorhandene spezifische Signalverarbeitung innerhalb des retinalen Netzwerks zur Signalweiterleitung ins Gehirn nutzt.

Unser Ansatz beruht auf der Kombination von Polymeren mit anorganischen Materialien in einem hybriden System zur gezielten Manipulation neuronaler Schaltkreise nach neuronaler Schädigung. Es handelt sich um einen neuartigen biotechnologischen Ansatz mit einem breiten Anwendungsspektrum in der klinischen Forschung, der über den Stand der bisherigen Technik hinausgeht.
Gegenüber anorganischen Implantaten, die auf einer elektrischen Stimulation des Nervengewebes beruhen, bietet ein kombinierter organisch/anorganischer Ansatz den Vorteil einer physiologischen und spezifischen Reizung neuronaler Strukturen, so dass eine höhere Spezifität und Signalauflösung von dem neurochemischen Implantat erwartet werden kann.

Projektpartner

  • AG Energie- und Halbleiterforschung, Universität Oldenburg
  • AG Neurobiologie, Universität Oldenburg
  • Forschungsinstitut für Augenheilkunde, Universität Tübingen
  • Institut für heterogene Materialsysteme, Helmholtz-Zentrum Berlin

Veröffentlichungen

von Hauff E, Fuchs K, Hellmann DCh, Parisi J, Weiler R, Burkhardt C, Kraushaar U, Guenther E. (2010) Biocompatible molecularly imprinted polymers for the voltage regulated uptake and release of L-glutamate in neutral pH solutions.Biosens Bioelectron. 26(2):596-601.

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