Sonderforschungsbereich ELAINE : Neuartige Implantate sollen das Leben im Alter verbessern

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert den neuen Sonderforschungsbereich (SFB) 1270 „ELektrisch Aktive ImplaNtatE – ELAINE“ in den kommenden vier Jahren insgesamt mit elf Millionen Euro. Mit der Sprecherin des interdisziplinären Forschungsverbundes, Professor Ursula van Rienen vom Lehrstuhl Theoretische Elektrotechnik an der Universität Rostock, sprachen wir über neue Ansätze für künftige biomedizinische Implantate.

Zu sehen ist ein Laborarbeitsplatz mit einer Mitarbeiterin im weißen Kittel von hinten am linken Bildrand. Auf dem Tisch stehen viele verschiedene technische Geräte.
An der Universität Rostock wird an neuartigen Implantaten geforscht, die zur Regeneration von Knochen und Knorpel eingestezt werden sollen.

Erläutern Sie uns bitte die Schwerpunkte des neuen Sonderforschungsbereichs ELAINE.

Ursula van Rienen: ELAINE konzentriert sich auf neuartige, energieautonome Implantate. Speziell sollen Implantate erforscht werden, die für die Regeneration von Knochen und Knorpel eingesetzt werden. Einen weiteren Forschungsschwerpunkt bilden Implantate für die Tiefe Hirnstimulation zur Therapie von Bewegungsstörungen, insbesondere bei Parkinson und Dystonie.

Warum werden solche Implantate benötigt?

Die Bevölkerung altert schnell. Das statistische Bundesamt schätzt, dass bis zum Jahr 2060 jede dritte Person in Deutschland älter als 65 Jahre alt sein wird. Je älter wir werden, desto wichtiger werden auch Implantate für regenerative Therapien. Bislang müssen jedoch die Batterien beispielsweise von Neurostimulatoren für die Tiefe Hirnstimulation alle drei bis fünf Jahre ausgetauscht werden. Das bedeutet jedes Mal eine Operation mit Risiken, insbesondere für ältere Menschen in einem nicht mehr so guten Allgemeinzustand. Mit energieautonomen Implantaten braucht es solche Re-Operationen nicht mehr. Ein Novum stellt auch die angestrebte elektrische Stimulation für Knorpel dar, denn derzeit gibt es noch keine Therapie, um hyalines Knorpelgewebe im Körper effizient zu regenerieren. Neuartig ist zudem die Verwendung elektrischer Stimulation für sehr große Knochenschäden. Unsere Forschungen besitzen also eine große soziale und sozioökonomische Relevanz.

Woher soll die Energie für die Implantate kommen?

Wir möchten sogenanntes Energy Harvesting einsetzen, die elektrische Energie also aus dem Körper selbst beziehen. Eine Idee ist, die mechanische Energie beim Kauen oder beim Gehen in elektrische umzuwandeln. Eine andere Überlegung ist, die Energie für das Implantat aus dem Temperaturgradienten zu ziehen, also den Unterschied zwischen Körper- und Umgebungstemperatur zu nutzen.

Wie aber gelangt die Energie zum Implantat?

Wir möchten eine miniaturisierte elektronisch gesteuerte Implantatplattform mit niedrigem Stromverbrauch für alle elektrisch aktiven Implantate konzipieren. Diese wird beispielsweise im Bereich der Schulter implantiert, ähnlich wie ein Neurostimulator – nur ist die Plattform sehr viel kleiner und kann dauerhaft im Körper verbleiben. Die Plattform wandelt mechanische oder thermische Energieformen in elektrische um und versorgt so das Implantat. Außerdem sollen Leistung, Dauer, Frequenzen und Pulsformen der Stimulation über die Plattform gesteuert werden. Die Programmierbarkeit der Implantatplattform wird die universelle Verwendung für alle betrachteten Implantattypen ermöglichen. Ein weiterer Vorteil ist, dass man jederzeit Verbesserungen in der Stimulation vornehmen kann, etwa weil herausgefunden wird, dass andere Frequenzen oder Stimulationsmuster besser als bislang angewendete sind.

Widmen Sie sich auch der Frage, wie welche Stimulation am effektivsten wirkt?

Ja, denn bislang sind die Stimulationsparameter rein empirisch bestimmt: Man weiß, dass die Tiefe Hirnstimulation bei Morbus Parkinson funktioniert. Aber es kann einem keiner sagen, ob nicht eine andere Frequenz oder ein anderes Stimulationsmuster noch besser funktionieren würden. Das wollen wir untersuchen, durch Simulationen und Laborversuche. Das alles geht immer Hand in Hand: Durch Vergleiche mit den Laborversuchen können wir unsere Simulationsmodelle immer weiter verfeinern. Ziel sind effiziente multiskalige Simulationsmodelle, um Implantatverbesserungen und patientenspezifische Therapien zu ermöglichen.

Inwiefern können multiskalige Simulationsmodelle Implantate und Therapien verbessern?

Heutige Modelle simulieren noch sehr vereinfacht, daher müssen wir diese dringend verfeinern. Der Körper ist schließlich sehr komplex, da laufen auf verschiedenen Ebenen verschiedene Prozesse ab. Nehmen wir als Beispiel den Knochen: Makroskopisch sieht man den festen, äußeren Knochen. Wenn man aber genauer hinschaut, kommen wir über mehrere Stufen wie schwammartige Strukturen im Inneren des Knochens hinunter bis zu seinen elementarsten Bestandteilen, Kollagen und Hydroxylapatit. Man betrachtet also verschiedene Prozesse von der Makro- bis zur Nanoebene und simuliert diese mit unterschiedlichen mathematischen Modellen. Diese wollen wir dann alle miteinander in Verbindung bringen und auch die Elektrostimulation miteinschließen. Schaffen wir solch multiskalige Simulationsmodelle, lässt sich für den einzelnen Patienten die Therapie individuell planen: Die Tiefe Hirnstimulation simuliert man dann zum Beispiel auf Basis seiner MRT- oder CT-Daten und kann so die optimale Lage des Implantats sowie die passenden Stimulationsparameter für den einzelnen Patienten bestimmen.

Ein weiteres Novum, dessen sich ELAINE annimmt, stellt die elektrische Stimulation für Knorpel und Knochen da. Was planen Sie hier?

Wir betrachten ganz konkret den Unterkiefer: Da gibt es häufig sehr große Knochenschäden aufgrund von Tumorerkrankungen. Knochenersatzmaterial und/oder Knochen aus anderen Körperteilen werden mittels Osteosynthese-Platten mit dem noch vorhandenen Kieferknochen verbunden. Allerdings müssen sehr viele dieser Patienten weitere Operationen über sich ergehen lassen, weil der Knochendefekt nicht richtig heilt. Hier möchten wir helfen, dass sich das Knochengewebe besser und schneller regeneriert: Eine Option ist, dass wir in die sowieso vorhandenen Schrauben, mit der die Platte fixiert wird, kleine Elektroden zur Stimulation einbringen. Entscheidend sind hier aber wieder die passenden Parameter: Eine bestimmte Stimulationstärke fördert das Knochenwachstum. Zu vermeiden ist eine Überstimulation, damit keine Gewebeschäden auftreten. Das untersuchen wir per Computersimulation und gestalten die Elektroden so, dass wir mit den optimalen Parametern einen möglichst großen Bereich stimulieren.

Bei Knorpelschäden werden wir uns in ELAINE auf das Kniegelenk konzentrieren. Es sollen in Laborexperimenten die optimalen Parameter für die elektrische und mechanische Stimulation des Gelenkknorpels herausgefunden werden. Langfristiges Ziel ist es, ein Stimulationssystem direkt am Kniegelenk zu implantieren, mit dem eine Regeneration des Knorpels unter Beibehaltung der Gewebeeigenschaften möglich ist.

Werden auch Daten von den Implantaten zurückgespielt?

Ja, zumindest bei der Tiefen Hirnstimulation streben wir eine Rückkopplungssteuerung an, um die Therapie noch weiter zu personalisieren. So kann man prüfen, wie gut die Stimulation funktioniert, und die Parameter notfalls über die Implantatplattform anpassen. Die rückgekoppelte elektrische Stimulation ist aber noch nicht in der ersten Förderphase geplant. Wir sind langfristig angelegt, wie das so Usus ist, wenn man einen Sonderforschungsbereich beantragt: Man muss eine Vision für zwölf Jahre haben und überzeugen können, dass die Forschungsidee eine solch große Forschergruppe wirklich so lange tragen kann.

Wie groß ist die Forschergruppe?

Es handelt sich um ein Projekt der Universität Rostock unter Beteiligung der Universitätsmedizin Rostock sowie einzelner Projektleiter von den Universitäten Greifswald, Leipzig, Nürnberg-Erlangen. Rechnet man auch anderweitig finanzierte und Studierende, welche als wissenschaftliche Hilfskräfte beteiligt sein werden, ein, kommen insgesamt circa 100 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zusammen, die gemeinsam forschen werden. Für 27 Nachwuchswissenschaftler können durch die DFG-Förderung neue Stellen geschaffen werden. Speziell – insbesondere für unsere Fachbereiche – ist, dass wir einen Frauenanteil von 35 Prozent unter den Projektleitern haben. Wir streben einen Frauenanteil von 50 Prozent unter den beteiligten Nachwuchsforschern an.

Welche Fachbereiche arbeiten im SFB ELAINE zusammen?

Die Forscherinnen und Forscher kommen aus den Bereichen Elektrotechnik, Informatik, Maschinenbau, Materialwissenschaften, Medizin, Biologie und Physik. Durch die sehr komplexen Fragestellungen, die wir beantworten wollen, benötigen wir solch ein interdisziplinäres Konsortium. Wir brauchen uns wirklich alle gegenseitig.

Wann werden die neuartigen, elektrisch aktiven Implantate Patienten zugute kommen?

Am Ende der für so einen Sonderforschungsbereiche wie ELAINE potenziellen drei Förderphasen von maximal zwölf Jahren wollen wir so weit sein, dass wir die Translation in die Klinik vorbereitet haben. Klinische Studien können dann in Folgeprojekten beginnen.

Vielen Dank für das Gespräch!

 

Mehr im Internet:

www.dfg.de

www.elaine.uni-rostock.de

 

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