Elektrostimulation mit Nanoelektroden fördert Regeneration nach Schlaganfall
Ischämischer Schlaganfall ist die zweithäufigste Ursache für Behinderungen und auf Blutgerinnsel in Arterien zurückzuführen, die den Sauerstofftransport zum Gehirn behindern. Trotz der damit verbundenen Gesundheitskosten in Europa in Höhe von 64,1 Mrd. EUR jährlich gibt es keine klinische Behandlungsstrategie mit vorhersehbarem Endpunkt. In diesem Sinne befasste sich das über die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen(öffnet in neuem Fenster) (MSCA) finanzierte EU-Projekt NeuPES mit Elektrostimulation, um die Genesung nach einem Schlaganfall zu beschleunigen. Der Erfolg des Projekts beruhte auf einer effektiven nanomolekularen Anordnung von Elektroden (siehe Foto oben).
Vorteile schräger gegenüber gerader Anordnung
José Miguel García-Martín, Hauptforscher von NeuPES und Wissenschaftler am Nationalen Forschungsrat Spaniens, erklärt: „Durch eine Kombination von Technologie und Neurobiologie konnten wir Nanoelektroden aus Titan, Gold und Platin in Form von Arrays aus schräg angeordneten Nanosäulen entwickeln, charakterisieren und testen. Der Vorteil von Nanostrukturen gegenüber Dünnschichtelektroden liegt vor allem darin, dass sie aufgrund einer größeren Oberfläche bessere elektrische Eigenschaften besitzen, etwa geringere Impedanz und höhere Ladekapazität.“ Dies sind jedoch nicht die einzigen Vorteile. Das Team generierte die Nanosäulen mit einem speziellen Magnetron-Sputter-Verfahren glancing angle deposition, GLAD(öffnet in neuem Fenster), das umweltfreundlich ist und breite industrielle Anwendung findet, wodurch der Ansatz erweitert werden kann. MSCA-Stipendiatin Sahba Mobini erklärt: „Aufgrund der großen Oberfläche der Nanoelektroden können wir das System nicht nur wie gewünscht beladen, sondern vermeiden auch irreversible Faraday-Reaktionen, die zur Erosion von Elektroden, Wasserabspaltung und toxischen Nebenprodukten führen können.“ Die Nanoelektroden können im sicheren Potentialbereich auch mehr Ladung in das System injizieren (stärkerer Strom) als einfache Dünnschichtfilme aus demselben Metall. Diese Eigenschaften sind sowohl in vitro als auch in vivo für eine genau definierte, wirksame und sichere Stimulation entscheidend.
Erweiterung des Modells für die neurobiologische Forschung
Auf den Ergebnissen aufbauend entwickelte die Arbeitsgruppe ein bildgebungskompatibles miniaturisiertes Gerät zur elektrischen Stimulation von Zellen in vitro. So lassen sich in der neurobiologischen Forschung Ressourcen einsparen, da Zellen und Wachstumsfaktoren meist begrenzt sind und experimentelle Versuche wie auch In-situ-Bildgebung mehrfach wiederholt werden müssen. Mit dem Schlaganfallmodell war eine laborexperimentelle Elektrostimulation der ischämischen Zellen möglich, wobei eine signifikant höhere Expression der beiden Proteine Synaptophysin und Beta-Tubulin als Beleg für neuronale Plastizität(öffnet in neuem Fenster) beobachtet wurde. So kann sich das Gehirn offenbar an neue Umgebungen anpassen, da verstärkte Neuroplastizität die Regenerationsfähigkeit des Gehirns nach einem Schlaganfall fördert. „Die Ergebnisse sind bislang vielversprechend, müssen aber in weiteren Experimenten wiederholt werden“, fügt Mobini hinzu. Das Projekt wurde vier Monate früher als geplant abgeschlossen, da Mobini über die Comunidad de Madrid – Programm zur Anwerbung von Forschungskräften(öffnet in neuem Fenster) Finanzmittel für ein vierjähriges Nachfolgeprojekt erhalten hatte. Im Rahmen des neuen Projekts, das auf NeuPES aufbaut, wurde in vitro ein Modell für beschleunigtes Altern generiert, „an dem sich die Lebensdauer von Nanoelektroden nach der Implantation prognostizieren lässt“, erklärt García-Martín. „NeuPES patentierte die Erfindung im Rahmen des spanischen Patentanmeldesystems. Nun sind wir auf der Suche nach Industriepartnern und bereiten auch eine wissenschaftliche Veröffentlichung vor“, schließt García-Martín.
Schlüsselbegriffe
NeuPES, Schlaganfall, Nanoelektroden, elektrische Stimulation, ungeordnete Arrays
