Implantierbares Mikrosystem zur Rückenmarksadaptation bei einer Behandlung der Querschnittlähmung - Teilvorhaben A: Chipentwicklung und klinische Validierung

Status:

abgeschlossen 12/2011

Zielsetzung:

Ziel des Vorhabens war die Entwicklung und tierexperimentelle Prüfung eines mechanischen Mikrosystems (mMS) zur Verbindung von durchtrenntem Rückenmarksgewebe, das neben einer mechanischen Stabilisierung des verletzten Gewebes ein Einsaugen der Rückenmarksstümpfe sowie eine gezielte Applikation pharmakologischer Substanzen in das Läsionszentrum ermöglicht. Im Vorprojekt (Innovationswettbewerb Medizintechnik, BMBF) war ein erster Prototyp hergestellt und am Modell eines teildurchtrennten Rückenmarks der Ratte die prinzipielle Funktion gezeigt worden.

Aktivitäten/Methoden:

Die Geometrie des Mikrosystems wurde an eine Totaltranssektion angepasst und das Design optimiert. Darüber hinaus wurde ein Abformverfahren zur mikrosystemtechnischen Verarbeitung bioresorbierbarer Kunststoffe entwickelt, mit dem die erste Fertigung eines resorbierbaren Systems gelang.
In einer Zeitreihe (5, 12 und 16 Wochen nach Läsion und mMS-Implantation) zur Überprüfung des regenerativen Axonwachstums ins Systemlumen wurde anhand von Axonmarkierungen per anterogradem Tracing mit fortschreitender Überlebenszeit ein deutlich verstärktes Einwachsen der markierten Nervenfasern gezeigt. Axone aller untersuchten motorischen (Kortikospinaltrakt [CST], serotonerge [5-HT+], katecholaminerge [TH+]) sowie sensorischen neuronalen Populationen (dorsaler Hinterstrang [CGRP+]) konnten im Systemlumen nachgewiesen werden (s. Zwischenbericht). Darüber hinaus erfolgte nach Läsion und Konnektor-Implantation regeneratives Axonwachstum absteigender Nervenfasern auch durch das System hindurch bis ins kaudale Rückenmark.
In einem weiteren Verhaltensexperiment über 20 Wochen wurden mBBB-Schwellenwerte von 5, 10 und 15 jeweils bei mehr Tieren der mMS-Gruppe verglichen mit der TX-Kontrollgruppe erreicht oder überschritten. Der höchste Schwellenwert von 20 wurde ausschließlich von Tieren der mMS-Implantatgruppe erreicht.

Ergebnisse:

Es wurde eine Methode etabliert, um pharmazeutisch wirksame Substanzen direkt ins Läsionszentrum zu infundieren. Die Auswirkung der Chelator-Infusion auf die funktionelle Erholung wurde in einer Verhaltensstudie überprüft. Diese Studie zeigte, dass die Chelatorinfusion über das mMS per osmotischer Minipumpe die Narbenbildung an der Verletzungsstelle vermindert, während der positive Effekt der Angiogenese verstärkt wird. Auch die Lokomotorik behandelter (mMS+DFO) Ratten war im Vergleich zur Pufferkontrollgruppe und zur Läsionskontrollgruppe verbessert. Da diese funktionelle Verbesserung im mBBB Offenfeldtest im Vergleich zu früheren Experimenten auf einem niedrigem Niveau erfolgte als in früheren Studien, sind im Rahmen der im Folgeantrag beschriebenen Studien Pilotexperimente geplant, die zur Ursachenklärung beitragen sollen. Schließlich erfolgten erste Vorversuche für die zukünftig geplante Kombination von mMS und der Implantation ethisch unbedenklicher somatischer Stammzellen. Die Pilotexperimente im Komplettläsionsmodell deuten darauf hin, dass die Zelltransplantation auch im mMS-Implantationsmodell angewendet werden kann.
Nach den bisherigen Ergebnissen ist das mechanische Mikrokonnektorsystem sehr gut geeignet, um das durchtrennte Rückenmark zu überbrücken. Es ermöglicht nicht nur eine deutlich verbesserte Gewebeintegrität, sondern auch ein vermehrtes Auswachsen von motorischen und sensorischen Nervenfasern. Diese positiven Ereignisse nach der Implantation ins akut verletzte Rückenmark bewirken eine deutliche Verbesserung der lokomotorischen Fähigkeiten nach mMS-Implantation.

Stand: