Querschnittslähmung

Schrittmacher für das verletzte Rückenmark

Das Forscherteam der Klinik für Neurologie mit experimenteller Neurologie will Querschnittsgelähmten wieder auf die Beine helfen.

Quelle: Klinik für Neurologie mit Experimenteller Neurologie, Charité Berlin

Ein deutsch-schweizerisches Forscherteam will durch elektrische Stimulation des Rückenmarks die Bewegungsfähigkeiten von Querschnittgelähmten wieder herstellen. Versuche mit Ratten verliefen so erfolgreich, dass die innovative Therapiemethode seit kurzem an Patienten erprobt wird. Auch die Entwicklung eines neuartigen, besonders schonenden Implantats zur Elektrostimulation ist schon weit fortgeschritten. von Ulrich Kraft

Gefäßverschlüsse, Entzündungen, Tumore, Unfälle und anderweitige Verletzungen – schwere Schädigungen des Rückenmarks können sehr unterschiedliche Ursachen haben. Doch das Resultat ist immer das gleiche: eine Querschnittlähmung. Durch das im Inneren der Wirbelsäule liegende Rückenmark werden motorische Befehle von Gehirn zu den Muskeln geleitet. Ist diese Datenleitung ganz oder teilweise unterbrochen, fällt die Bewegungsfähigkeit unterhalb der geschädigten Stelle vollständig aus beziehungsweise funktioniert nur noch sehr eingeschränkt. Aktuell gibt es 60.000 bis 80.000 Querschnittgelähmte in Deutschland. Jedes Jahr kommen rund 2.200 neu hinzu. Fast alle der oft noch jungen Patienten sind auf den Rollstuhl angewiesen. Und das ein Leben lang, denn eine Therapie, die Rückenmarksverletzungen heilt, gibt es bis dato nicht.

Neuartige Implantate und Stimulationstechniken

Wissenschaftler der Charité Universitätsmedizin Berlin und der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Lausanne möchten diesen Menschen mit einem innovativen Ansatz auf die Beine helfen. Sie haben neuartige Implantate und Stimulationstechnologien entwickelt, mit denen sie das Rückenmark gezielt mit elektrischen Impulsen anregen. Der Clou daran: Das Muster der Signale bildet die natürliche Aktivität nach, die auch im gesunden Rückenmark beim Gehen stattfindet. An querschnittsgelähmte Ratten ist die Methode schon erfolgreich getestet worden. Die im renommierten Fachblatt Nature Medicine vorgestellten Ergebnisse aus den Tierversuchen sind so vielversprechend, dass jetzt eine Studie gestartet wurde, die die Methode an menschlichen Patienten testet.

Das Forscherteam nutzt dabei den Umstand, dass das Rückenmark unterhalb der Schädigung noch intakt ist. Wie man schon seit längerer Zeit weiß, sind die dortigen Nervenzellverbände auch weiterhin in der Lage, spontane Bewegungen zu generieren. Da die Steuerungsbefehle vom Gehirn aber fehlen, können sie das nicht mehr kontrolliert tun. „Diese Netzwerke sind unser therapeutisches Target“, erläutert Nikolaus Wenger von der Klinik für Neurologie mit Experimenteller Neurologie der Berliner Charité. „Mit der Stimulation triggern wir ihre spontane Aktivität so an, dass daraus kontrollierte Bewegungen werden.“

Auf den Zeitpunkt kommt es an

Welches Potenzial diese Methode hat, konnten amerikanische Wissenschaftler bereits zeigen. Die Forscher um Susan Harkema vom Kentucky Spinal Cord Injury Research Center an der University of Louisville implantierten vier Männern mit einer kompletten Querschnittlähmung im Bereich der Lendenwirbelsäule einen Elektrodenchip auf die harte Hirnhaut (Dura mater), die das Rückenmark als Schutzschicht umgibt. Mit Hilfe von elektrischen Impulsen, die ein externes Steuerungsgerät an das Implantat schickt, versuchte Harkemas Team dann, die mehr oder minder „stummen“ motorischen Netzwerke zu erwecken. Mit Erfolg! Schon wenige Wochen nachdem der Stimulator das erste Mal angeschaltet wurde, konnte einer der Männer den Zeh wieder bewegen. Nach vielen intensiven Trainingseinheiten war es den Probanden sogar möglich, auf ihren Beinen zu stehen.

Für Querschnittgelähmte ein enormer Gewinn an Selbständigkeit und Lebensqualität. Doch Nikolaus Wenger und seine Kollegen möchten noch mehr erreichen. „Die amerikanischen Forscher arbeiten mit einer kontinuierlichen Stimulation, die aber nicht ausreicht, um wieder einen normalen Gangzyklus zu erzeugen“, sagt der Berliner Neurologe. „Deshalb haben wir diesen Ansatz weiterentwickelt.“ Im ersten Schritt wurde untersucht, was im Rückenmark gesunder Ratten beim Gehen passiert. Wie die Forscher feststellten, kommt es dabei zu einer wellenförmigen Aktivität, die durch den Wechsel von Beugung und Streckung der Beine entsteht. „Je nachdem, welche Muskeln betätigt werden, sind bestimmte Rückenmarksbereiche aktiv und andere nicht“, erläutert Wenger.

Ratten konnten wieder Treppensteigen

Nach der Stimulationstherapie konnten die Nager sogar Treppenstufen erklimmen.

Quelle: Klinik für Neurologie mit Experimenteller Neurologie, Charité Berlin

Auf Basis dieser Daten entstand dann die Steuerungssoftware des Implantats, das man sich ähnlich vorstellen kann wie einen Herzschrittmacher. Es besteht aus einem Steuergerät mit Batterie, das über ein unter der Haut verlaufendes Kabel elektrische Impulse zu den auf der Dura liegenden Elektroden schickt. Vergleichbar aufgebaute Systeme werden bereits an Patienten eingesetzt, etwa bei der Behandlung von chronischen Schmerzen. Ihr Implantat testeten die Forscher zunächst an querschnittgelähmten Ratten, die die Hinterbeine nicht mehr bewegen konnten. „Unsere Idee war, das Rückenmark so zu stimulieren, dass die Streck- und Beugemuskulatur nach dem natürlichen Muster beim Gehen aktiviert wird und die dadurch erzeugte Bewegung der von gesunden Tieren möglichst nahe kommt“, berichtet Nikolaus Wenger.

Das gelang auf recht eindrucksvolle Weise. Unter der alternierenden Stimulation verbesserten sich Bewegungsfluss und Beinkraft derart, dass die Ratten ohne Unterstützung wieder auf den eigenen vier Pfoten laufen konnten. Sie schafften es sogar, Treppenstufen zu erklimmen – eine Aufgabe, die besonders viel Körperkontrolle, Koordination und Kraft erfordert. Die Stimulation war so programmiert, dass die Bewegung der Hinterbeine angeregt wird sobald die Tiere ihre Vorderbeine nach vorne setzen. „Auf indirekte Weise können sie so selbst steuern, wann sie sich fortbewegen möchten“, sagt Wenger.

Dieses Schaubild zeigt die Versuchsanordnung, die es querschnittsgelähmten Ratten ermöglichte ihre Beine wieder einzusetzen.

Quelle: Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Lausanne

Seit kurzem erprobt das Forscherteam die innovative Methode auch am Menschen. Die Studie mit acht querschnittgelähmten Patienten koordinieren die Kollegen in Lausanne. Um die Stimulation an die Bewegungen anzupassen, werden derzeit im Versuchslabor installierte Infrarotkameras verwendet. Sie registrieren beispielsweise, wenn der Oberschenkel beim Losgehen angehoben und das Knie gebeugt wird. Das leitet dann die nächste Phase des Stimulationszyklus ein, die wiederum nur ganz bestimmte Muskelgruppen aktiviert. „Wir arbeiten aber an einer Lösung, bei der am Bein angebrachte Beschleunigungssensoren die Bewegungen detektieren“, berichtet Nikolaus Wenger. „Dadurch könnte das System unabhängig vom Labor werden.“

Flexibles Rückenmarkimplantat nach dem Vorbild der Hirnhaut

Gefeilt wird auch an der Technik des Implantats. Es nicht oberhalb der Dura mater sondern direkt auf die Nervenbahnen zu platzieren, wäre die effektivste Lösung. Das Problem daran ist, dass sich das Rückenmark ständig dehnt und in seiner Hülle hin- und hergleitet. Die üblicherweise aus einem harten, steifen Material gefertigten Stimulationselektroden reiben dann über das empfindliche Nervengewebe und führen dort zu Schädigungen. Entzündungen, Bildung von Narbengewebe und Abstoßungsreaktionen sind die Folgen, die einem langfristigen Einsatz solcher Neuroprothesen im Wege stehen. Deshalb hat ein Team um Stéphanie Lacour und Grégoire Courtine von der ETH Lausanne ein Implantat entwickelt, das in Form und mechanischen Eigenschaften der harten Hirnhaut nachempfunden ist.

Flexibilität als Schlüssel zum Erfolg. Durch seine Verformbarkeit kann das E-Dura Implantat direkt auf den Nervenbahnen platziert werden.

Quelle: Klinik für Neurologie mit Experimenteller Neurologie, Charité Berlin

Die Basis der so genannten E-Dura bildet eine 120 Mikrometer dickes, verformbares Band aus transparentem Silikon. Darin eingebettet sind Leiterbahnen aus Gold. Dank feiner Risse in dem Edelmetall lassen sie sich ziehen und dehnen, ohne dass die Übertragung der elektrischen Signale unterbrochen wird. Für Stimulationselektroden verwendeten die Wissenschaftler einen neuartigen Materialmix aus Silikon- und Platin-Mikropartikeln. „Nicht nur das Trägermaterial sondern auch die Elektroden selbst sind weich und flexibel“, sagt Nikolaus Wenger, der an dem Projekt beteiligt ist. „Darum richtet die E-Dura am Nervengewebe keinen Schaden an.“ An rückenmarksverletzten Ratten wurde die innovative Neuroprothese schon erfolgreich getestet. Das Implantat könnte auch genutzt werden, um Bewegungssignale im Gehirn abzugreifen und via Computer an die gelähmten Gliedmaßen weiterzuleiten. Solche Brain-Computer-Interfaces sind ein weiterer Hoffnungsträger für die künftige Therapie von Menschen mit Querschnittlähmung.

Erste Tests an querschnittgelähmten Patienten

Nikolaus Wenger räumt allerdings ein, dass bei der E-Dura der Weg zu einem erwiesenermaßen sicheren, marktreifen Produkt noch weit ist. Zumindest vorerst setzen er und seine Kollegen bei der Rückenmarkstimulation auf ihr vergleichsweise einfaches Implantat. „Der Vorteil ist, dass es bereits Langzeiterfahrungen mit ähnlichen Schrittmachersystemen gibt.“ Der Berliner Wissenschaftler fügt hinzu, dass in der Versorgung von Querschnittgelähmten ein Umdenken stattgefunden hat. Lange Zeit konzentrierten sich Ärzte und Forscher vor allem auf Patienten mit vollständig unterbrochenem Rückenmark – also auf die ganz schweren Fälle. Inzwischen richtet sich das Augenmerk aber verstärkt auf Menschen mit einer inkompletten Querschnittslähmung, die noch über motorische Restfunktionen verfügen. „Ich bin sehr optimistisch, dass insbesondere diese Patienten von der Stimulationstherapie profitieren – in irgendeiner Form“, sagt Nikolaus Wenger. „Wie weit das geht, ob sie tatsächlich ganz selbstständig wieder laufen können oder nur mit einer Stütze, muss man abwarten.“ Schon letzteres wäre für die vielen Querschnittgelähmten, die sich nur im Rollstuhl fortbewegen können, ein Riesenfortschritt.

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