Werkzeuge für die optische Steuerung von Nervenzellen

Das Bundesforschungsministerium fördert ein Projekt zur Entwicklung für die optische Steuerung von Nervenzellen für bessere Medizinprodukte – etwa Cochlea-Implantate – am Photonik-Inkubator Göttingen. 

Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts „OptoGenTech“ sollen implantierbare Sonden für die optische Stimulation von Nervenzellen entwickelt werden. Diese implantierbaren Sonden sind dringend benötigte „Werkzeuge“ für die bio-medizinische Forschung auf dem Gebiet der Optogenetik. Diese beschäftigt sich mit der lichtgesteuerten Kontrolle der Aktivität von Zellen, welche durch das Einbringen von genetischen „Schaltern“ durch Licht aktiviert oder gehemmt werden können. Inzwischen ist es nicht nur möglich, Nervenzellen mit Licht ein- und auszuschalten, sondern auch viele weitere Zellfunktionen optisch zu aktivieren.

Genaue Kontrolle der Zellaktivität durch optogenetische Steuerung

Ein großer Vorteil gegenüber der elektrischen Stimulation, wie sie beim Herz- oder Hirnschrittmacher oder beim klassischen Cochlea-Implantat angewendet wird, ist, dass u. a. Nerven-Zellen mit Licht zelltyp-spezifisch und räumlich präzise adressiert werden können. Die optogenetische Steuerung erlaubt daher eine wesentlich genauere Kontrolle der Zellaktivität. Diese Fortschritte haben nicht nur in den Neurowissenschaften grundlegend neue Methoden für die Grundlagenforschung geschaffen, sondern öffnen auch langfristig neue Perspektiven für Medizinprodukte wie das Cochlea-Implantat – mit bisher unerreichbarem Potenzial.

In OptoGenTech werden miniaturisierte Lichtquellen-Arrays entwickelt, die als implantierbare Sonden die technologische Umsetzung der Optogenetik am lebenden Organismus ermöglichen. Diese Sonden sollen, zunächst für die Anwendung in der Grundlagenforschung, als integraler Bestandteil von Systemen mit Elektronik zur Ansteuerung und Signalaufbereitung, Softwarepaket und Infrastruktur für Verhaltensexperimente auf den Markt gebracht werden. Die Ansteuerung wurde im Rahmen des vom Europäischen Forschungsrates geförderten „OptoHear“ Projekts entwickelt

Aktive und passive Sonden

Im Projekt wird auf zwei Typen von Sonden gesetzt: „Aktive Sonden“ mit miniaturisierten Mikro-LEDs auf flexiblen Trägern und „Passive Sonden“, bei denen Licht von Laserdioden über optische Polymer-Wellenleiter ins Gewebe geführt wird. Zum Ansatz der lokalen Anregung mit Mikro-LED-Arrays wurden bereits in den vom BMBF geförderten Projekten „Lichthören“ und „optical CI“ Prototypen entwickelt, sodass ein schneller Einstieg vor allem in den Forschungsmarkt erwartet wird.

Die Wellenleiter-Sonden haben den zusätzlichen Vorteil, dass die Halbleiter-Lichtquellen mit Ansteuerungselektronik räumlich vom Ort der Stimulation im Gewebe separiert sind. Damit schafft man mehr Freiheit bei den Materialien, die in direktem Kontakt mit dem zu stimulierenden Gewebe sind und kann die aktiven Bauelemente besser hermetisch verkapseln. Das ist eine Voraussetzung für medizinische Implantate, die – wie im Falle des optischen Cochlea-Implantats – über viele Jahre in der „elektronikfeindlichen“ Umgebung des menschlichen Körpers funktionieren müssen.

Mit dem Projekt „OptoGenTech“ am Photonik Inkubator in Göttingen fördert das BMBF die Technische Universität Chemnitz sowie die Universitätsmedizin Göttingen für die Entwicklung implantierbarer Sonden zur optischen Stimulation von Nervenzellen. Dabei übernehmen das Zentrum für Mikrotechnologien (Prof. Dr. Karla Hiller) und die Professur Experimentelle Sensorik (Prof. Dr. Ulrich Schwarz) wichtige Beiträge zur Entwicklung der Sonden und der miniaturisierten Lichtquellen-Arrays. Ziel ist neben der Grundlagenforschung zudem die Ausgründung einer eigenständigen Firma. Dafür stellt das BMBF ca. 1,4 Mio. Euro für eine Laufzeit von zwei Jahren aus seiner Förderlinie „Photonik Forschung Deutschland“ bereit.