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H2020

Re.B.Us — Ergebnis in Kürze

Project ID: 660689
Gefördert unter: H2020-EU.1.3.2.
Land: Italien
Bereich: Gesundheit, Grundlagenforschung

Wirkungsvollere regenerative Medizin zur Heilung von Epilepsie ist das Ziel

An der Grenze zwischen regenerativer Medizin und Neurotechnik liegt die erweiterte regenerative Medizin. EU-Forschung hat unter Einsatz von durch elektronische Bauteile moduliertem Hirngewebe die am häufigsten auftretende Form der Epilepsie in Angriff genommen.
Wirkungsvollere regenerative Medizin zur Heilung von Epilepsie ist das Ziel
Die Temporallappenepilepsie (temporal lobe epilepsy, TLE) gilt als die häufigste Ausprägung von Epilepsie und ist dennoch die am wenigsten auf Behandlung ansprechende Form. Die Patienten weisen ein typisches Muster fortschreitender Hirnschäden auf, die kognitive und emotionale Prozesse beeinflussen.

Das H2020-EU-Projekt Re.B.Us arbeitete daran, den Grundstein für biohybride Ansätze zur Auslösung von Selbstheilung des dysfunktionalen Gehirns zu legen. Stipendiatin Dr. Gabriella Panuccio erläutert dazu: „Unser Ziel war, den Machbarkeitsnachweis zu erbringen, dass das erkrankte Gehirn durch einen biohybriden Ansatz, der Werkzeuge aus Biologie und Ingenieurwissenschaften vereint, geheilt werden kann.“

Muster elektrischer Aktivität bei TLE

Die Forscher verwendeten ein In-vitro-Modell von TLE-Nagerhirnschnitten mit den wichtigsten Hirnarealen bei TLE, die pharmakologisch behandelt wurden, um die typischen elektrischen Aktivitätsmuster auszulösen, die bei TLE-Patienten zu beobachten sind.

Man kombinierte Werkzeuge aus Mikroelektroden-Array-Elektrophysiologie und Ingenieurwissenschaften, um diese Muster zu modulieren. Über elektronische Brücken hinweg wurde ein physiologischer Dialog zwischen den betroffenen Hirnregionen wiederhergestellt. „Herzstück der Versuchsanordnung war das vom Hippocampus erzeugte Signal, das durch den Cortex ausgelöste Anfälle verhindern kann, aber bei TLE beeinträchtigt ist“, erklärt Dr. Panuccio.

Wiederherstellung des Dialogs zwischen Cortex und Hippocampus

Die Forscher konnten die kortikale Anfallsneigung beheben, indem zunächst das fehlende hippocampale Hirnsignal durch ein per Elektrostimulation erzeugtes Ersatzmuster ersetzt wurde, das die zeitliche Dynamik der Aktivität des Hippocampus nachahmt.

Anschließend wurde eine in eine Richtung wirkende elektronische Brücke verwendet, um den funktionalen Dialog zwischen Hippocampus und Cortex wiederherzustellen. Am Ende diente ein Hippocampusschnitt als „Graft“-Gewebe, um den Hippocampus des „Host“-Kortexschnitts zu ersetzen, um die Anfallsaktivität in letzterem zu kontrollieren. „Hierin besteht das ultimative Ziel von Re.B.Us und diese bahnbrechenden Experimente sind die Vorboten der Machbarkeit des von Re.B.Us vorgeschlagenen Biohybridansatzes“, betont Dr. Panuccio.

Geniale elektrische Modulation

Die Re.B.Us-Forscher haben im Kern ihrer Arbeit eine bidirektionale elektronische Brücke zwischen zwei verschiedenen Hirnschnitten geschaffen, von denen der eine als „gesunder“ Graft-Hippocampus und der andere als „kranker“ Host-Cortex fungiert. Pathologische Vorgänge, die im Cortex festgestellt wurden, lösten eine elektrische Stimulation des Hippocampus aus, was wiederum zur Erkennung der Aktivität im Hippocampus und zur elektrischen Stimulation des Cortex führte. Die entwickelte Steuerungssoftware wurde sorgfältig verfeinert, um eine optimale Stimulationsstrategie zu verfolgen, bei der Graft- und Host-Gewebe abwechselnd eingesetzt werden, um die Anfallsaktivität signifikant zu verringern.

Auf ins Unbekannte: Neuromorphic Engineering und KI

Nach dem vereinfachten In-vitro-Paradigma von Re.B.Us besteht der nächste logische Schritt im In-vivo-Einsatz von Hippocampusorganoiden als Graftgewebe bei epileptischen Nagetieren. Dr. Panuccio erklärt: „Hippocampusorganoide sind biotechnisch erzeugte Kopien von Hippocampusgewebe, die in vitro aus Stammzellen gewonnen werden können. Über ihre elektrische Aktivität ist sehr wenig bekannt, da sie erst kürzlich mittels Tissue-Engineering-Verfahren erzeugt wurden, aber sie scheinen von Natur aus über die Fähigkeit zur Erzeugung des Musters zu verfügen, das Anfälle unterdrücken kann.“

Zukünftige Strategien zur Heilung von Epilepsie könnten sich auf eine kombinierte Nutzung neuronaler Transplantate unter Einsatz von Neuromorphic Engineering und künstlicher Intelligenz (KI) stützen. Neuromorphic Engineering könnte eine neuartige Lösung für die Gestaltung von biomimetischen Hirnprothesen sein, die sich ähnlich wie das Gehirn verhalten und lernen, so zu funktionieren, dass eine gesunde Integration von Graft und Host gefördert wird. KI könnte die Funktion der neuromorphen Elektronik in Echtzeit optimieren, um Graft-Phasenkopplung und Schädigung durch pathologische Aktivität des Host-Gehirns zu vermeiden. „Tonangebende Ansicht ist, dass neuromorphe Elektronik und KI-Algorithmen im Endeffekt bei erfolgreicher Wiederherstellung der Gehirnfunktion deaktiviert werden, wenn ihr Eingreifen nicht mehr erforderlich ist“, hebt Dr. Panuccio hervor.

So fasst Dr. Panuccio die Errungenschaften von Re.B.Us folgendermaßen zusammen: „Ich denke, dass Re.B.Us den Ausgangspunkt für einen neuartigen Ansatz zur Heilung des Gehirns darstellt, der auf der gemeinsamen Nutzung von regenerativer Medizin und Neurotechnik beruht. Dabei geht es um eine biohybride Ausnutzungsstrategie, die möglicherweise die Art, wie wir mit Hirnerkrankungen umgehen, revolutionieren wird, indem das derzeitige Paradigma von der Behandlung des erkrankten Gehirns hin zu seiner Heilung verlagert wird.“

Schlüsselwörter

Re.B.Us, Gehirn, Hippocampus, Kortex, Graft, Transplantat, Temporallappenepilepsie (TLE), Epilepsie, künstliche Intelligenz (KI), Neuromorphic Engineering, Biohybrid
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