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Bioelektronische Medizin : Elektrische Heilkunst auf Zellebene

  • -Aktualisiert am

Elektroaktive Polymere (gold gefärbt) umhüllen und aktivieren zwei Neuronen (rechte Bildhälfte). Die blauen Punkte repräsentieren in dieser künstlerischen Darstellung die Monomere, aus denen sich die Polymere zusammensetzen. Bild: Stanford University

Fortschritt in der bioelektronischen Medizin: Lebende Zellen synthetisieren elektrisch leitfähige Polymere, die bestimmte Körperfunktionen aktivieren. Was beim Fadenwurm funktioniert, könnte eines Tages zur Behandlung von Phantomschmerzen und psychischen Erkrankungen genutzt werden.

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          Wenn man will, ist der menschliche Körper in gewisser Weise ein „Elektrogerät“. Etliche Zelltypen – insbesondere Neuronen – reagieren nur auf elektrische Reize. Die Impulse bewirken zum Beispiel, dass die Nervenzellen feuern und Informationen weiterleiten oder verarbeiten. Wissenschaftler versuchen diese Tatsache zu nutzen, um Zellen gezielt zu manipulieren. So stimuliert man auf dem Gebiet der bioelektronischen Medizin häufig mit Miniaturelektroden bestimmte Bereiche im Körper mit dem Ziel, etwa Phantomschmerzen zu reduzieren, eine Regeneration von geschädigtem Gewebe herbeizuführen oder psychische Erkrankungen zu behandeln.

          In der Regel wirkt das angelegte elektrische Feld allerdings nur auf große, oft unterschiedliche Zellpopulationen oder größere Gewebeteile. Die Folge können unerwünschte Nebenwirkungen sein. Bei der sogenannten Vagusnerv-Stimulation etwa, die Ärzte gegen therapieresistente Depressionen oder schwer behandelbare Epilepsieerkrankungen einsetzen, reizt man auch Nervenstränge, die mit den Stimmbändern assoziiert sind. Das kann zu Husten oder Heiserkeit führen. Wünschenswert wären daher Therapien, die gezielt nur wenige oder einzelne Zellen elektrisch anregen.

          In diesem Zusammen könnte ein Verfahren an Bedeutung gewinnen, das Wissenschaftler von der Stanford University in Kalifornien in der Zeitschrift „Science“ vorstellen. Lia Jiu und seinen Kollegen ist es gelungen, lebende Zellen in der Petrischale, aber auch in Fadenwürmern (C. elegans) gezielt zu stimulieren. Die elektrische Anregung erfolgt dabei nicht über Elektroden, sondern beruht auf elektroaktiven Polymeren, die von den Zellen selbst synthetisiert werden. Die kettenförmigen Moleküle verändern die elektrischen Eigenschaften der Zellen und lösen dadurch entsprechende Reaktionen aus.

          Fadenwürmer bewegen sich schneller

          In ihren Experimenten veränderten die Forscher die Zellen gentechnisch, so dass diese ein bestimmtes Enzym exprimierten, mit folgendem Effekt: Zuvor im Gewebe angereicherte Molekülbausteine, sogenannte Monomere, verbanden sich an der Zellmembran mit Hilfe des Enzyms zu längeren Kettenmolekülen. Diese Polymere waren – je nach Art der Monomere – entweder elektrisch leitend oder isolierend, und sie umhüllten nur jene Zellen, die das Enzym exprimiert hatten. Auf diese Weise ließen sich die elektrischen Signale zwischen den Zellen verstärken beziehungsweise abschwächen.

          Was mit Zellkulturen in der Petrischale möglich war, gelang den Forschern um Liu auch mit lebenden Fadenwürmern. Die Wissenschaftler manipulierten – so wie zuvor die kultivierten Zellen – bestimmte Muskelzellen im Mund von C. elegans sowie Motorneuronen im Gehirn des Lebewesens. Dass die aktivierten Zellen entsprechende Polymere synthetisierten, zeigte sich in einer veränderten Pumpfrequenz des Muskels beziehungsweise in einer Veränderung der wellenförmigen Vorwärtsbewegungen der Würmer. Die natürliche Funktion der Zellen sei, so die Forscher, dabei nicht beeinträchtigt worden.

          Mit dem Ansatz ließe sich im Prinzip auch steuern, wie sich Zellen vermehren, bewegen oder differenzieren, schreiben Kevin Otto und Christine Schmidt von der University of Florida in einem Begleitkommentar. In den vergangenen Jahren sind zwar vermehrt leitfähige Polymere für biomedizinische Anwendungen untersucht und verwendet worden, etwa als Biosensoren, neurale Prothesen oder zum Verabreichen von Medikamenten. Die Maschinerie lebender Zellen wurde zur Synthese elektroaktiver Polymere aber bislang nicht genutzt.

          Wundheilung mit elektroaktiven Polymeren?

          Otto und Schmidt glauben, dass damit künftig medizinische Therapien verbessert werden könnten. Beispielsweise sei eine zelltyp-spezifische Anregung denkbar, die Nebenwirkungen der Vagusnerv-Stimulation reduziere oder ganz beseitige. Auch wenn es darum geht, sensorische Informationen von Hand- oder Beinprothesen direkt an das Nervensystem des Nutzers zu übermitteln, wären zielgerichtetere elektrische Impulse hilfreich, um etwa zwischen sensorischen und motorischen Signalen zu differenzieren. Darüber hinaus erforscht man bereits, inwiefern auch leitfähige Polymere – ähnlich wie externe Elektrostimulationen – die Wundheilung anregen können.

          Gleichwohl ist bis jetzt noch völlig unklar, ob das Verfahren aus Stanford bei Lebewesen höherer Ordnung, insbesondere bei Wirbeltieren und dem Menschen, praktikabel ist. Zunächst gilt es vor allem, die gentechnische bioelektronische Methode weiterzuentwickeln. Bevor sie schließlich beim Menschen angewendet werden kann, müssen allerdings strenge regulatorische Hürden überwunden werden. Vorerst muss das Elektrogerät „Mensch“ also weiterhin noch mit herkömmlichen Elektroden elektrisch stimuliert werden, um psychische und physische Defekte zu beheben.

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