Mensch und Maschine wachsen zusammen

US-Forscher haben mit Muskelzellen besetzte Implantate geschaffen, die Menschen mit Amputationen bald eine feinere Kontrolle ihrer Prothesen erlauben könnten. Das Konstrukt, das an der University of Michigan entwickelt wurde, besteht aus klitzekleinen Bechern, die aus einem elektrisch leitfähigen Polymer aufgebaut sind und in die Nerven hineinwachsen können. Die darüber abgesetzten elektrischen Signale können dann zur Bewegung einer Prothese verwendet werden.

"Die Technik könnte eine elegante Methode darstellen, künstliche Gliedmaßen mit sehr feinen Bewegungen zu steuern", meint Rutledge Ellis-Behnke, Forscher am MIT, der die Studie kennt. "Statt einem großen, unintelligenten Stück Kunststoff, das an den Körper geschnallt wird, wäre das dann ein integriertes Werkzeug, das sich fast wie ein echter Teil des Körpers anfühlt."

Aktuelle Prothesen sind hier noch sehr eingeschränkt und müssen ganz bewusst bewegt werden: Die künstlichen Gliedmaßen werden durch die noch vorhandenen Muskeln angeregt – der Träger muss dann beispielsweise seinen Brustmuskel anziehen, um seine Armprothese in eine bestimmte Richtung zu bewegen. Die Anbindung noch vorhandener Nerven an künstliche Gliedmaßen wäre ein deutlich intuitiverer Weg, sie zu kontrollieren. Der Bau solcher peripherer Nervenschnittstellen wurde bislang allerdings unter anderem durch das Wachstum von Narbengewebe verhindert. Es stört nicht nur die Weiterleitung von Signalen, sondern sorgt auch für eine geringere Haltbarkeit der notwendigen Implantate.

Die bislang genaueste Methode zur Kontrolle einer Armprothese ist derzeit mit einem chirurgischen Eingriff verbunden, bei dem Nerven, die früher mit Muskeln in dem abgetrennten Arm oder der Hand in Verbindung standen, an die Brust transplantiert werden. Denkt der Träger dann daran, seine Hand zu bewegen, kontrahieren die Brustmuskeln und dieses Signal wird wiederum verwendet, um die Prothese zu kontrollieren. Das ist zwar eine deutliche Verbesserung gegenüber früheren Ansätzen. Aber die Kontrollmöglichkeiten sind insgesamt noch recht gering, weil sich nur etwa fünf Nerven überhaupt an den Brustbereich transplantieren lassen.

Das neue Interface, das von dem plastischen Chirurgen Paul Cederna und seinen Kollegen entwickelt wurde, baut zwar auf diesem Konzept auf, erweitert es aber deutlich. Transplantierte Muskelzellen dienen dabei als Zielbereich. Werden Gliedma0en abgetrennt, sprießen die ursprünglich damit verbundenen Nerven weiter und suchen nach neuen Muskeln, um sich mit ihnen zu verbinden. (Dieser biologische Prozess kann manchmal zu einem schmerzhaften Nervengewebeknäuel führen, das sich an der Spitze abgetrennter Gliedmaßen bildet.) "Die Nerven senden ständig Signale dort hin, um der Hand zu sagen, was sie tun soll, auch wenn sie gar nicht mehr da ist", sagt Cederna. "Wir können diese Signale interpretieren und sie zur Steuerung einer Prothese nutzen."

Die Schnittstelle besteht aus kleinen, becherähnlichen Strukturen, die einen Durchmesser von einem zehntel Millimeter haben. Sie werden chirurgisch an den noch vorhandenen Nervenenden implantiert und geben dann die Bewegungsinformationen an die Prothese. Außerdem ist eine sensorische Rückmeldung möglich.

Innerhalb jedes kleinen Bechers befindet sich ein Gerüst aus biologischem Gewebe, das mit Muskelzellen besetzt ist – weil die entsprechenden Nerven in gesundem Gewebe eben auch von diesen angezogen werden. Die abgetrennten Nerven wachsen dann in den Becher hinein und verbinden sich mit den Zellen und übertragen Signale vom Gehirn. Weil sie mit einem elektrisch aktiven Polymer beschichtet sind, arbeiten die Becher wie ein Draht, der ein elektrisches Signal aufnimmt und übertragen es an die Prothese. Diesen letzten Schritt prüften Cederna und Team zwar nicht, doch sind sie sicher, dass sich die Signale mit bestehender Technik drahtlos übertragen lassen.

Die Forscher haben ihr Interface bislang an Nagetieren mit abgetrennten peripheren Nerven getestet. Dabei zeigte sich, dass die Nerven wie gewünscht in die Becher hineinwachsen und eine Verbindung zu den Muskelzellen aufnehmen. "Wenn die Enden der Nervenzellen in diesem Bereich intakt bleiben, wäre das ein echter Durchbruch", sagt MIT-Forscher Ellis-Behnke. Die Nerven von Ratten entsprechen ungefähr der Größe jener, die beim Menschen angegangen werden müssten.

Die Konstruktion der Forscher kann außerdem Sinneseindrücke an die sensorischen Nerven weitergeben, die Wärmegefühl, Druck und andere Informationen von der Haut an das Gehirn leitet. Wie die motorischen Nerven verbinden sich auch die sensorischen mit dem Muskelgewebe in den Bechern. Beim Tierversuch wurden zwei Nerven eines einzelnen Tieres gekappt – einer motorisch, der andere sensorisch. Zwar fehlten den Ratten Prothesen, doch konnten die Forscher zeigen, dass das Implantat die durchtrennten Nerven überbrücken und neuronale Botschaften weiterleiten konnte. Wurde die Ratte am Fuß gekitzelt, generierte das eine Muskelzellenaktivität im Implantat.

Sensorische Fähigkeiten sind eine wichtige fehlende Komponente in aktuellen Prothesen. Entsprechendes Feedback, egal ob es sich um Druck, Oberflächensensibilität oder Temperatur handelt, ist wichtig, um sensible Aufgaben zu erledigen – vom Aufheben eines Eis bis zur Handhabung einer heißen Pfanne. Ultimatives Ziel sind Prothesen, die Hitze- und Drucksensoren enthalten und ihre Signale direkt über die Muskelzellen in der Schnittstelle an das Gehirn weiterleiten.

Noch befindet sich Cedernas Projekt, das vom US-Verteidigungsministerium mitfinanziert wird, in einer frühen Phase. So blieben bislang einige wichtige Fragen unbeantwortet. "Wir müssen herausfinden, wie lange es dauert, bis die Verbindungen funktionieren und wie haltbar und robust sie sein werden", sagt Joseph Pancrazio, Programmleiter am National Institute for Neurological Disorders and Stroke, der die Studie kennt. Was er bislang gesehen habe, sei jedoch sehr spannend.

Eines der Hauptprobleme bei Nervenimplantaten ist ihre Stabilität. Implantierte Elektroden werden oft von Narbengewebe überzogen und arbeiten dann nicht mehr richtig. Bislang zeigt Cedernas Idee diese Probleme nicht – auch sechs Monate nach dem Eingriff bei den Ratten gab es keine Narben. Warum das so ist, wissen die Forscher noch nicht genau – es könnte aber sein, dass der Becher das Implantat vor Entzündungsreaktionen, die zu Narben führen, schützt. Möglich wäre auch, dass das Muskelgewebe, das den Nerven als Anknüpfungspunkt dient, die Reaktionen dämpft, weil sich so ein normaleres Umfeld für die abgetrennten Nerven ergibt. Die Forscher überwachen die Implantate an den Ratten nun tagtäglich, um ihre Haltbarkeit zu bestimmen.

Sehr viel versprechend ist, dass sich im Gewebe um die Schnittstelle herum neue Blutgefäße bildeten, die in die implantierten Muskelzellen führen und sie mit Nährstoffen versorgen, die sie zum Überleben brauchen.

Noch ist unklar, wie viele dieser Nervenkappen ein Patient benötigen würde, um beispielsweise eine ordentliche Kontrolle über einen fortschrittlichen künstlichen Arm ausüben zu können. "Wenn wir das herausgefunden haben, liegt die einzige Einschränkung dann darin, wie ausgefeilt die Prothese gebaut werden kann", sagt Cederna. (bsc)