Nanoimplantate fürs Gehirn

Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind extrem starke, elektrisch leitfähige Hohlmoleküle mit einem Durchmesser von einem Nanometer – und sie sind seit mehr als einem Jahrzehnt eines der Lieblingsthemen unter den Materialwissenschaftlern. Sie nutzen sie in Batterien, um die stromspeichernde Oberfläche zu erhöhen, und entwickeln lichtabgebende Nanoröhrchen für die Telekommunikation.

Ein Forscherteam an der University of Texas konnte nun einen ganz neuen Einsatzzweck demonstrieren: Matten mit einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen können elektrische Signale an Nervenzellen weiterleiten, was sie womöglich als Schnittstelle für Neural-Prothesen interessant macht. Mit diesen Komponenten sollen beschädigte oder fehlende Nerven im Körper ersetzt werden. Die ersten Erfolge mit Nanoröhrchen sind gute Nachrichten für diejenigen, die hoffen, dass sie eines Tages zur Stimulierung oder zum Ersatz von Nervenzellen in Auge, Gehirn oder Rückenmark eingesetzt werden könnten.

Die texanischen Forscher ließen Nervenzellen von Ratten auf dicken Matten mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen wachsen, die auf einer flexiblen Kunststoffschicht angebracht waren. Statt die Nanomatte als Fremdkörper zu betrachten, nahmen die Nervenzellen die Röhrchen gut an. Sie absorbierten ein wichtiges Nervenprotein und bildeten einen Teppich mit rauer Oberfläche, auf dem die Nervenzellen gut wuchsen, wie Studienleiter Todd Pappas, Direktor im Bereich Neurowissenschaften in der medizinischen Abteilung der University of Texas, erklärt. Pappas experimentierte zusammen mit Kollegen an der Rice University. Dabei konnte er zeigen, dass das Anlegen einer elektrischen Spannung innerhalb der Nanoröhrchen-Matte zu einer elektrischen Reaktion der Nervenzellen führte. Dieses so genannte Aktionspotenzial zeige, dass die Nachricht angekommen sei.

Heutige Neural-Prothesen wie beispielsweise Implantate für die Innenohrschnecke (bei starken Hörschäden) nutzen Elektroden, um aufgenommene Signale als elektrische Impulse direkt in das Gehirn der Patienten zu leiten. Ähnliche Implantate werden derzeit auch für die Netzhaut entwickelt – die große Hoffnung dabei ist es, Blinde wieder sehend zu machen. Die typische Signalverbindung besteht dabei aus Metallelektroden mit einem Siliziumüberzug, wie Pappas erklärt.

Sollten sich die Kohlenstoff-Nanoröhrchen als sicher für die Verwendung im Körper herausstellen, hätten sie einige Vorteile gegenüber herkömmlichen Elektroden. Langzeitimplantate können Entzündungen und Narben hervorrufen, weil die umgebenden Zellen sie als Fremdkörper auffassen. Dies lässt sich bei Nanoröhrchen umgehen, in dem man sie mit Molekülen überzieht, die keine Abstoßreaktionen hervorrufen. Ihre Stärke, Flexibilität und Leitfähigkeit sind weitere Argumente für den Einsatz im Körper.

Pappas und seine Forscherkollegen würden die Nanoröhrchen gerne so aufbauen, dass sie Nachbarzellen die Bedingungen bieten, die natürliche Zellen offerieren. Man sei sich allerdings noch nicht sicher, was die Zellen konkret bräuchten. Möglich wären beispielsweise Moleküle, die Wachstum und Stabilität vorantrieben. "Wir müssen die Oberfläche so modifizieren, dass die Nanoröhrchen von den Zellen als Teil der natürlichen Umgebung aufgefasst werden", meint Nicholas Kotov, außerordentlicher Professor für Chemieingenieurswesen an der University of Michigan.

Der Forscher arbeitet zusammen mit Pappas an Netzhautimplantaten mit Nanotechnik: "Einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen können sehr dünn gestaltet werden und lassen sich zu den Muskelkontraktionen im Auge kompatibel machen." Die so genannte Makuladegeneration, eine Krankheit, bei der die lichtsensiblen Zellen in der Mitte der Netzhaut absterben, ist der am weitesten verbreitete Grund für Altersblindheit ab 65. Um die Krankheit zu behandeln, wollen Kotov und Pappas die abgestorbenen Nerven mit einer Kombination aus Nanopartikeln und Kohlenstoff-Nanoröhrchen ersetzen, die auf Licht reagieren. Diese Reaktion könnte dann in elektrische Signale umgewandelt werden und den Nerven zwischen Auge und Gehirn passende Nachrichten senden. Kotov will Nanopartikel entwickelt haben, die sogar eine Farbauflösung ermöglichen.

Dennoch wird die Forschung vorerst nur langsam vorangetrieben: Die Sicherheit nanobasierter Prothesen muss gewährleistet sein. Obwohl Kohlenstoff-Nanoröhrchen bis jetzt als inaktiv und biologisch harmlos gelten, sind ihre Auswirkungen auf den Körper noch nahezu unerforscht.

Thomas Webster, außerordentlicher Professor für Materialwissenschaften und biomedizinische Ingenieurswissenschaften an der Brown University, führt derzeit erste Experimente mit lebenden Tieren durch, denen Kohlenstoff-Nanoröhrchen eingepflanzt werden. Der Forscher injizierte, zusammen mit Kollegen an der Yonsei University in Seoul, eine Lösung aus Nanoröhrchen und Stammzellen in vorgeschädigte Gehirne von Ratten. "Ohne die Nanoröhrchen blieben die Stammzellen nicht in dem Bereich, der geschädigt war – sie wanderten in gesundes Gewebe", erklärt Webster. In seinen Experimenten halfen die Nanoröhrchen den Stammzellen, in den richtigen Bereichen zu verbleiben. Gleichzeitig half ihre raue Oberfläche und ihre Leitfähigkeit dabei, die Stammzellen in Nervenzellen zu verwandeln. Es sei derzeit jedoch noch zu früh, darüber zu sprechen, was mit dem Nanomaterial passiere, "wenn der Job erledigt ist". Auch wisse man noch nichts über mögliche toxische Langzeiteffekte.

Übersetzung: Ben Schwan. (wst)