Technik, die an die Nerven geht
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Innovationen Neuroprothetik und Neuromonitoring Technik, die an die Nerven geht Incrimp: Flexibles Mikroimplantat mit integrierter Elektronik, Energieversorgung sowie den Dünnschicht-Elektroden s passiert viel auf dem Gebiet der intelligenten Implantate“, erklärte Dr. Alfred Stett, Stellvertretender Leiter des Naturwissenschaftlichen und Medizinischen Instituts an der Universität Tübingen (NMI) anlässlich eines Netzwerktreffens der Deutschen Gesellschaft für Biomedizinische Technik in Aachen. „Als Herzschrittmacher, Cochlea-Implantat oder Hirnschrittmacher haben sich elektronische Implantate längst bewährt. Sie stimulieren myogene und neuronale Strukturen im peripheren, spinalen und zentralen Nervensystem und gleichen so kardiale und E 40 PRAXiS 2/2013 Deutsches Ärzteblatt neuronale Funktionsstörungen aus.“ Aktive elektronische Mikroimplantate verfügen bei geringsten Abmessungen über eine hohe Komplexität und Funktionalität. Solche intelligente Implantate beinhalten Sensoren und Aktoren, Elektronik zur Datenverarbeitung sowie eine Energieversorgung. Die meisten vereinen Funktionen zur Diagnostik und zur Therapie in einem System. Doch als Schnittstelle zu Nerven, Sinnes- oder Muskelzellen sind sie längst nicht ausgereift, wie die zahlreichen Forschungsprojekte auf dem Gebiet der Neuroprothetik und des Neuromonitorings belegen. „Die Technik mit den aktiven Bauteilen, der digitalen Datenverarbeitung und der Energieversorgung trifft im Körper auf eine biologische Umgebung. Das ist immer noch eine große Herausforderung bei der Entwicklung von Neuroprothesen. Sie sollten sich möglichst schonend im Gewebe einfügen lassen. Deshalb brauchen wir möglichst kleine und flexible Implantate, die ohne Kabelverbindung nach außen auskommen“, sagte Stett. Damit Neuroprothesen dauerhaft implantiert werden können, müssen sie biokompatibel und auch biostabil Foto: NMI Die Mikrosystemtechnik mit ihrer fortschreitenden Miniaturisierung macht intelligente Implantate möglich, die ganze Funktionalitäten ersetzen können. Neue Erkenntnisse der Materialforschung und moderne Fertigungstechniken treiben die Entwicklung der Neuroprothesen voran. Innovationen sein. Mikroimplantate wie beispielsweise Retina- oder Hirnimplantate verfügen über eine hohe Zahl von Elektroden, die den Kontakt zwischen Implantat und Gewebe herstellen. Eine vollständige hermetische und starre Verkapselung des Implantats, um es vor der Korrosion durch die Körperflüssigkeiten zu schützen, ist deshalb nicht möglich. Darüber hinaus muss das Implantat flexibel sein, um sich an das Körpergewebe anpassen zu können. Das NMI in Reutlingen arbeitet an speziellen isolierenden und bioaktiven Oberflächen, die diese Anforderungen erfüllen und eine kontrollierte Gewebeintegration des Implantats ermöglichen. Als flexible Verpackung verwenden die Mikrosystemtechniker biokompatible Polymere wie Polyimide oder Parylene, auf die sie mit modernen Vakuumkondensationsverfahren (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition und Physical Vapour Deposition) dünne anorganische Grenzschichten aufbringen. Damit lässt sich die Barrierefunktion der Biopolymere um ein Vielfaches verbessern. Ein Anwendungsbeispiel für diese Form der speziellen Dünnschichtverkapselung ist die Neuroprothese „Incrimp“: Das intrakranielle Implantat wird für die invasive Epilepsiediagnostik entwickelt. Incrimp soll kabellos funktionieren und eine sichere Langzeitableitung ohne Einschränkung der Bewegungsfreiheit der Patienten während der prächirurgischen Diagnostik ermöglichen (www.nmi.de/projekte/projektdetail/ ?id=44). Für die kontinuierliche EEG-Messung ist eine drahtlose Energie- und Datenübertragung vorgesehen. Dadurch soll das Komplikationsrisiko für Infektionen und Blutungen gesenkt werden. Denn bei den bisherigen invasiven Verfahren zur EEG-Ableitung werden Kabelverbindungen durch Schädel und Haut nach außen geleitet. Für die Entwicklung von Incrimp müssen viele Bausteine zusammen- gefügt werden: Mikroelektroden auf Kohlenstoffbasis, die Dünnschichtverkapselung sowie das sogenannte Brainboard mit dem Datenmanagement, der Telemetrieeinheit und der Energieversorgung. Im weiteren Verlauf des Projekts müssen experimentelle Untersuchungen zur Implantationstechnik, zur In-vivo-Funktionalität und zur Biokompabilität erfolgen. Die Entwicklungsarbeit für ein solches Mikrosystem ist umfangreich und lässt sich nur im Verbund stemmen: Bei dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Kooperationsprojekt arbeiten NMI, die Neurochirurgie des Universitätsklinikums Tübingen sowie meh- Verbundprojekt „Intelligente Implantate“ bis Ende Juni 2013 zwölf Projekte in verschiedenen Indikationen (www.mstonline.de/news/pdf/Projekt steckbriefe_Implantate.pdf). Die Hürden für diese technisch komplexen Systeme, sich eines Tages am Markt durchzusetzen, sind hoch. Eine Begleitforschung, die von vier Projektpartnern koordiniert wird, führt deshalb die Interessen der Verbundpartner zusammen und fördert die Nutzung von Synergien. Neben Incrimp zählen unter anderem ein Sensor zur Diagnose und Therapie von Herzinsuffizienz, das Retina-Implantat, eine implantierbare Infusionspumpe sowie ein Im- Intelligente Implantate ermöglichen spezifischere Diagnoseverfahren, wirksamere Therapien und alltagstaugliche Hilfsmittel für die Rehabilitation. rere Partner aus der Industrie Hand in Hand. „Intelligente Implantate ermöglichen spezifischere Diagnoseverfahren, wirksamere Therapien und alltagstaugliche Hilfsmittel für die Rehabilitation. Damit dies keine Vision bleibt, sind neue Materialkombinationen, Bauformen und Energiequellen sowie innovative Bearbeitungs- und Fertigungsmethoden der Mikrosystemtechnik gefragt. Voraussetzung dafür ist die Kombination von Mikrosystemen mit Nano-, Bio- und modernen Informations- und Kommunikationstechniken. Dies erfordert eine enge Zusammenarbeit zwischen Grundlagenforschern, Entwicklern und Medizinern, aber auch den Zulassungsstellen und den Kostenerstattern“, resümierte Stett. Innovationshürden im Verbund überwinden Zahlreiche elektronische Mikroimplantate für unterschiedliche Anwendungen sind derzeit in der Entwicklung und befinden sich auf dem Prüfstand. Das BMBF fördert allein im plantat zu Energiegewinnung mittels Augenbewegungen zu den Förderprojekten. Im Verbundprojekt MyoPlant forscht Prof. Dr.-Ing. Klaus-Peter Hoffmann vom Fraunhofer Institut für Biomedizinische Technik (IBMT, www.ibmt.fraunhofer.de) in St. Ingbert an einem implantierbaren System zur Signalerfassung für die Steuerung von Handprothesen. „An diesem Projekt wird deutlich, welche Komplexität Neuroprothesen erreichen können. Damit sich eine bionische Handprothese an ihrem natürlich Vorbild messen lassen kann, muss sie nicht nur die motorische Funktionalität wiederherstellen. Sie sollte dem Nutzer eine sensorische Rückmeldung geben, beispielsweise über Griffkraft, Oberflächenstrukturen und Temperatur. Sie sollte sich intuitiv steuern lassen und darüber hinaus ästhetischen Ansprüchen genügen“, erläuterte Hoffmann. Bislang werden zur Steuerung von Handprothesen Elektromyogramme (EMG) an der Hautoberfläche der verbliebenen Extremität abgeleitet. Doch dieses Verfahren hat eine be- Deutsches Ärzteblatt PRAXiS 2/2013 41 Innovationen ckelt, die eine kontinuierliche intraoperative Überwachung der Funktion autonomer Beckennerven erlaubt. In Tierexperimenten wird nun ihr Einsatz bei verschiedenen Operationsmethoden getestet. Der Chirurg erhält dabei erstmals ein Echtzeit-Feedback über die Gefährdung autonomer Nerven während der Dissektion. „Die klinischen Anwendungsmöglichkeiten des IONM beschränken sich nicht nur auf die kolorektale Chirurgie. Auch andere Prozeduren im kleinen Becken oder beispielsweise im Bereich der Schilddrüse, bei denen Nerven gefährdet werden, können davon profitieren. Zurzeit wird die Anwendung der IONM in einer klinischen Studie unter Federführung der Universitätsmedizin Mainz bei Patienten mit kolerektalem Karzinom erprobt“, berichtete Hoffmann. Dr. rer. nat. Lisa Kempe Glukose-Chip soll Implantate mit Energie versorgen Foto: MIT grenzte Kapazität und ist störanfällig. Signale von eng beieinander oder tiefer im Gewebe liegenden Muskeln können nicht registriert werden. Implantierbare Elektroden, die intramuskuläre EMG ableiten, könnten diese Probleme überwinden. „Unsere Aufgabe bei MyoPlant ist die Entwicklung eines myogengesteuerten intelligenten Implantats. Im Fokus steht hier ebenfalls die biologisch-mikrosystemtechnische Schnittstelle zur Ableitung der myogenen Signale. Aber auch die Kapselung des Implantats, die Telemetrieschnittstelle sowie die kabellose Energieversorgung werden am IBMT weiterentwickelt“, berichtet Hoffmann. „Erste Versuche im Tiermodel, bei dem das gesamte MyoPlant-System über mehrere Wochen evaluiert wurde, zeigen vielversprechende Ergebnisse.“ Ableitung an autonomen Nerven Ein weiteres Anwendungsfeld, dem sich Hoffmann neuerdings widmet, ist das kontinuierliche intraoperative Neuromonitoring (IONM) autonomer Beckennerven. Die Entwickler am IBMT nutzen dabei ihr Knowhow in Sachen biokompatibler Elektroden, um die Funktion einzelner Nerven im Verlauf eines chirurgischen Eingriffs zu überwachen. Die Totale Mesorektale Exzision hat in den vergangenen Jahren die Prognose bei kolorektalem Karzinom deutlich verbessert. Obwohl bei dieser Operationstechnik das autonome Nervengeflecht des kleinen Beckens weitgehend erhalten bleibt, treten bei Patienten immer wieder Störungen der Blasen- und Sexualfunktion auf. Eine neurogene Inkontinenz scheint auf die intraoperative Denervation des inneren analen Sphinkters zurückzuführen zu sein. In dem von Hoffmann koordinierten BMBF-Projekt IKONA haben die Forscher in Zusammenarbeit mit klinischen und industriellen Partnern eine tripolare Mikroelektrode entwi- 42 PRAXiS 2/2013 Deutsches Ärzteblatt Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT, http://mit.edu) haben eine Brennstoffzelle entwickelt, die aus Glukose Energie gewinnt. Diese könnte künftig in das Gehirn implantiert und unter Verwendung der zerebrospinalen Flüssigkeit für den Antrieb von Prothesen und anderen Hilfsmitteln genutzt werden. Der Ansatz, den Zuckergehalt von Flüssigkeiten im menschlichen Körper zur Stromerzeugung zu verwenden, wurde bereits in den 1970er Jahren genutzt, um auf Basis einer Glukose-Brennstoffzelle einen Herzschrittmacher zu betreiben. Mit dem Aufkommen der Lithium-Ionen-Akkus wurde diese Idee jedoch für längere Zeit nicht mehr weiterverfolgt. Nun haben Wissenschaftler am MIT die Idee auf Basis herkömmlicher Halbleitertechnik wieder aufge- griffen. Sämtliche Komponenten befinden sich auf einem Siliziumchip. Ein Platin-Katalysator zieht, ähnlich wie verschiedene Zellenzyme, Ionen aus der Glukose. Platin gilt als biokompatibel. Der Prototyp der Brennstoffzelle kann bereits einige Hundert Mikrowatt an Strom erzeugen, was für den Betrieb von Low-Power-Gehirnimplantaten bereits genügt. Berechnungen der Forscher zufolge ist die Gehirn-Rückenmark-Flüssigkeit die ideale Umgebung für die Brennstoffzelle. Denn sie zirkuliert ständig und verfügt über einen hohen Glukosegehalt. Gleichzeitig befinden sich in ihr nur wenige Zellen, was eine Immunreaktion unwahrscheinlich macht. Weil nur ein geringer Teil des Zuckergehalts verwendet wird, ist nach Ansicht der Forscher zudem kein nennenswerter Einfluss auf die Hirnaktivität zu erwarten. Das Paper zur Studie ist im Journal „PLoS ONE“ veröffentlicht: www. plosone.org/article/info%3Adoi%2F 10.1371%2Fjournal.pone.0038436. pte