Verletztes Rückenmark nichtinvasiv reparieren

Bisher kommen bei der Behandlung von Rückenmarksverletzungen implantierte Stammzellen zum Einsatz, die mit Hilfe von externer Elektrostimulation über Elektroden oder Kabel dazu gebracht werden, neue Nervenzellen zu bilden.

Forscher der ETH Zürich und der Universität Zürich haben nun einen neuen Ansatz in der Fachzeitschrift Nature Materials beschrieben. Dabei werden therapeutische Stammzellen mit magnetoelektrischen Nanopartikeln verbunden und mit Hilfe von externen Magneten an die richtige Stelle gelenkt, wo sie die Stammzellen stimulieren.

Der Mikroroboter, den die Wissenschaftler entwickelt haben, kombiniert auf Lab-on-Chips lebende, neurale Vorläuferzellen (Neural Progenior Cells, kurz NPC) mit speziellen Nanopartikeln. Es entstehen sogenannte NPC-Bots.

Herstellung von NPC-Bots auf Lab-on-Chips

Dafür werden die Vorläuferzellen aus iPS-Zellen gewonnen – gewöhnliche Körperzellen, aus denen verschiedene Zelltypen des Nervensystems entstehen können – die im Labor zu Stammzellen verändert werden. Der innere Teil der Nanopartikel reagiert auf Magnetfelder, ihr äußerer Teil kann diese Reaktion in elektrische Signale umwandeln.

„Um die Bots in großen Mengen herzustellen, verwenden wir mehrere Lab-on-Chip-Systeme parallel“, erläutert Hao Ye, Senior Scientist und Erstautor der Studie. Je nach Testvariante werden für zellbasierte Studien Hunderttausende und für Tierversuche mehrere Millionen Mikroroboter benötigt.

Vielversprechende Tests an Zebrafischen und Mäusen

Die NPC-Bots wurden zunächst an Zebrafischlarven getestet. Drei Tage nachdem den Fischen an die verletzte Stelle Mikroroboter gespritzt und elektromagnetische Felder erzeugt wurden, zeigten die Zebrafische ein nahezu normales Schwimm- und Erkundungsverhalten.

Auch Mäuse, bei denen das Rückenmark durchtrennt war, wurden mit den NPC-Bots behandelt. Den Wissenschaftlern zufolge waren hier nach 28 Tagen die Nervenzellen an der verletzten Stelle verbunden. Die behandelten Mäuse bewegten sich in dieser Zeit zunehmend besser – Gangbild, Schrittlänge, Koordination und Erkundungsverhalten normalisierten sich deutlich. Weil sich bei Mäusen – anders als bei Zebrafischen – das Rückenmark normalerweise nicht regeneriert, ist dieses Ergebnis von großer Bedeutung.

Nichtinvasive Stimulation der Zellen

Möglich wurden diese Erfolge durch die elektrische Stimulation der Stammzellen, was deren Differenzierung nach der Transplantation besonders fördert. Um die NPC-Bots zu lenken, werden um die zu reparierende Stelle externe Magnetfelder angeordnet. Diese können das Gewebe leicht durchdringen. Ihre Frequenz sowie die Feldstärke können flexibel angepasst werden. Dieser Ansatz der Züricher Wissenschaftler benötigt keine implantierten Elektroden oder Kabel und ist deshalb mit weniger Risiken für Verletzungeb verbunden. „Wir können durch die mikrorobotische Steuerung die Behandlung präziser und minimalinvasiver machen“, fasst Hao zusammen.

Haben sich die Vorläuferzellen zu Nervenzellen entwickelt, verschmelzen die NPC-Bots mit dem Gewebe. Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass die Nanopartikel dank ihrer Bariumtitanat-Beschichtung stabil und wenig reaktiv sind. Ob und wie die Partikel langfristig abgebaut oder ausgeschieden werden, müssen weitere Studien klären.

Auch wenn es noch einige Zeit dauern wird, bis der Ansatz beim Menschen zum Einsatz kommt, denken die Wissenschaftler bereits an weitere Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise in der Kardiologie, der Onkologie, der Wundheilung oder anderen gezielten regenerativen Therapien.