Gehirnpflaster

Über eine Million Schlaganfall-Überlebende in den Vereinigten Staaten haben selbst nach der Rehabilitation erhebliche Behinderungen – und diese Zahl wird voraussichtlich mit dem Alter der Babyboom-Generation steigen.

Aber es besteht die Hoffnung, dass verloren gegangene Fähigkeiten eines Tages dank einer Zusammenarbeit zwischen dem Chemie- und Biomedizintechnik-Professor Robert Langer, ScD '74, und der Neurowissenschaftsprofessorin Mriganka Sur wiederhergestellt werden können. Das Team, das im Rahmen der 60 Millionen US-Dollar teuren MIT-DuPont Alliance finanziert wird, hat erhebliche Fortschritte bei der Entwicklung von Implantaten zum Ersatz von durch Schlaganfälle geschädigten Hirnarealen gemacht.

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Das Ziel ist es, die Dinge so zu machen, wie sie am Anfang [vor dem Schlaganfall] waren, sagt Langer. Um die geschädigten Bereiche zu ersetzen, will das Team Gehirnzellnetzwerke auf einem Gerüst wachsen lassen, das sie chirurgisch in die betroffene Region implantieren. In das Gerüst eingebettete Medikamente werden das Wachstum der Zellen anregen, Verbindungen zu den nativen Zellen in der Nähe herstellen und, so hoffen die Forscher, dem Schlaganfallpatienten verlorene Fähigkeiten wiederherstellen.



Forscher haben bisher die Fähigkeit gezeigt, Nervenzellen dazu zu bringen, in vitro Netzwerke zu bilden. Bevor die Gehirnzellen jedoch implantiert werden können, müssen sie auf ihre neuen Rollen vorbereitet werden, ähnlich wie Highschool-Schüler Rechnen lernen müssen, wenn sie in einem Ingenieurskurs am MIT erfolgreich sein möchten, sagt Nathan Wilson, Projektmitarbeiter und Mitarbeiter Postdoc in Hirn- und Kognitionswissenschaften, die mit Sur zusammenarbeitet. Zellen, die zum Beispiel visuell verarbeitende Bereiche des Gehirns ersetzen sollen, müssen mit ähnlichen Signalen trainiert werden, wie sie die Augen aussenden. In einem wichtigen Schritt der Forschung zeigte Wilson, dass Zellen, die in einer Schale gezüchtet und elektrischen Impulsen ausgesetzt werden, die denen aus den Augen in etwa ähnlich sind, auf diese Signale durch Bildung von Netzwerken reagieren.

In einem weiteren wichtigen Schritt hat Paul George, Doktorand in Langers Labor, gezeigt, dass ein elektrisch leitfähiger Kunststoff, den das Team als
Gerüst ist biokompatibel. Als es sechs Wochen lang in lebende Ratten implantiert wurde, wuchsen Neuronen um ihn herum und sogar durch Löcher im Material hindurch.
Sur sagt, dass ein neuronales Implantat mit vernetzten Zellen für Schlaganfallpatienten wahrscheinlich noch 20 Jahre von der Fertigstellung entfernt ist, da die Forscher noch lernen müssen, wie man die Gerüste am besten baut, sie mit Medikamenten kombiniert, die das Nervenwachstum fördern, und die Neuronen trainiert. Am wichtigsten ist vielleicht, dass sie Zellen finden müssen, die das Gehirn nicht abstößt. Dies könnte bedeuten, Stammzellen zu modifizieren oder die eigenen reifen Zellen einer Person so zu verändern, dass sie wie junge Neuronen wachsen.

Zwischenergebnisse können jedoch viel näher sein. Der Prozess des Lernens, wie man ein Implantat herstellt – was Sur sagt, ist wie die Herstellung eines Teils des Gehirns in einer Schüssel – sollte zu vielen grundlegenden wissenschaftlichen Durchbrüchen über die Art und Weise führen, wie Gehirne funktionieren und sich selbst reparieren. Die Elektrodengitter, mit denen die Zellnetzwerke trainiert werden, können zum Beispiel auch dazu verwendet werden, die durch die Netzwerke gesendeten Signale bei deren Bildung zu lesen und aufzudecken, welche Verbindungen hergestellt werden, sagt Wilson.

Die Arbeit kann zu anderen neuen Therapien führen. Der leitfähige Kunststoff kann beispielsweise als elektrischer Spleiß fungieren und durch Wirbelsäulenverletzungen verursachte Lücken überbrücken. Es könnte auch mit Medikamenten beladen und implantiert sein, um Neuronen um eine Verletzung herum zu ermutigen, sich selbst umfassender neu zu verdrahten, was die Genesung von Schlaganfällen fördert. Solche Fortschritte würden viel dazu beitragen, das Leben der Menschen zu verbessern, da die Forscher ihrem endgültigen Ziel näher kommen. – Von Kevin Bullis, SM ‘05’

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