Heilung von Querschnittslähmung? Mikroroboter machen Hoffnung

Eine Rückenmarksverletzung kann das Leben von einem Tag auf den anderen umkrempeln. Plötzlich gehorchen Arme oder Beine nicht mehr und vieles muss neu gelernt oder anders organisiert werden. Medizinisch bleibt das Problem besonders schwierig, weil Nervenzellen im Rückenmark nicht von allein nachwachsen. Narbengewebe bremst neue Nervenfasern zusätzlich aus. Für die Forschung an der Heilung einer Querschnittslähmung zählt deshalb jede Methode, die verletzte Nerven besser erreichen und zum Wachsen anregen kann.

In einer neuen Studie im Fachjournal Nature Materials beschreibt ein Team der ETH Zürich und der Universität Zürich nun einen neuen Ansatz. Die Forscher kombinierten Stammzellen mit winzigen technischen Partikeln. So entstanden Mikroroboter, die sich mit Magnetfeldern steuern lassen. In Versuchen mit Zebrafischen und Mäusen wanderten diese sogenannten NPCbots an verletzte Stellen im Rückenmark. Dort regten sie Zellen an, sich zu Nervenzellen und Stützzellen zu entwickeln.

Warum die Heilung einer Querschnittslähmung bisher so schwer bleibt

Bei vielen bisherigen Ansätzen setzen Ärzte und Forscher auf Stammzellen oder elektrische Stimulation. Beides bringt Probleme mit sich. Eingesetzte Zellen überleben nicht immer gut genug. Außerdem verbinden sie sich nicht zuverlässig mit dem geschädigten Gewebe. Elektrische Reize brauchen oft Elektroden, die in den Körper gelangen müssen. Besonders im Rückenmark wird das riskant, denn dort können kleine Eingriffe große Folgen haben.

Die neuen Mikroroboter sollen mehrere Aufgaben auf einmal übernehmen. Sie bringen lebende neurale Vorläuferzellen mit magnetoelektrischen Nanopartikeln zusammen. Diese Partikel reagieren auf Magnetfelder von außen und wandeln sie in elektrische Impulse um. Dadurch lassen sich die Zellen anregen, ohne Kabel oder Elektroden einzusetzen. „Die mikrorobotische Führung macht die Behandlung präziser und minimalinvasiv“, sagt Studienautor Hao Ye.

Wie aus Stammzellen winzige Helfer fürs Rückenmark entstehen

Die Herstellung läuft auf einem kleinen Laborsystem, das nur rund einen Quadratzentimeter groß ist. Dort verbinden die Forscher die Zellen mit den Nanopartikeln. „Wir platzieren in der Mitte ein Reservoir, in dem wir die Zellen festhalten. Dann injizieren wir die Nanopartikel und warten, bis sich beide Komponenten verbinden“, erklärt Professor Salvador Pané i Vidal von der ETH Zürich.

Nach etwa 30 Minuten sind die NPCbots einsatzbereit. Jeder von ihnen misst rund sechs Mikrometer. Ein menschliches Haar ist im Vergleich meist etwa 70 bis 100 Mikrometer dick. Die Mikroroboter sind also deutlich dünner als ein Haar. Für Zellversuche braucht das Team Hunderttausende dieser Mikroroboter, für Tierversuche sogar mehrere Millionen.

Das sind die wichtigsten Daten aus den Versuchen:

Die NPCbots sind etwa sechs Mikrometer groß.
Die Herstellung dauert rund 30 Minuten.
Die Lab-on-a-Chip-Fläche misst etwa einen Quadratzentimeter.
Bei Zebrafischen verbesserte sich die Bewegung innerhalb von drei Tagen.
Bei Mäusen beobachteten die Forscher Verbesserungen über 28 Tage.

„Um die Herstellung hochzufahren, betreiben wir mehrere Lab-on-a-Chip-Systeme parallel“, sagt Hao Ye. Das ist wichtig, weil eine mögliche medizinische Anwendung sehr große Mengen solcher Mikroroboter bräuchte.

Bei Zebrafischen wachsen Nerven besonders schnell nach

Zuerst prüfte das Team den Ansatz an Zebrafischlarven mit verletztem Rückenmark. Zebrafische eignen sich für solche Versuche, weil sie von Natur aus mehr Regenerationskraft besitzen als Säugetiere. Die Forscher spritzten die NPCbots direkt an die geschädigte Stelle und setzten anschließend elektromagnetische Felder ein.

Nach drei Tagen bewegten sich die Tiere fast wieder wie unverletzte Zebrafische. Auch ihr Erkundungsverhalten normalisierte sich weitgehend. Die Zellen entwickelten sich rasch weiter und bauten sich besser in das verletzte Gewebe ein. „Sie konnten uns zeigen, wie schnell sich Zellen mit unserer Methode differenzieren und wie unsere Bots das Rückenmark reparieren“, meint Pané i Vidal.

Warum Mäuse für die Querschnittslähmung-Heilung mehr Aussagekraft liefern

Noch interessanter wurde der Versuch an Mäusen. Ihr Rückenmark regeneriert sich normalerweise nicht. Die Tiere hatten eine vollständig durchtrennte Rückenmarksverletzung. Nach 28 Tagen fanden die Forscher an der verletzten Stelle neu verbundene Nervenzellen. Auch die Bewegungen verbesserten sich sichtbar. Gang, Schrittlänge, Koordination und Erkundungsverhalten näherten sich einem normaleren Muster.

© ETH Zürich Die Grafik zeigt, wie sich Nervenzellen im Rückenmark von Zebrafischen und Mäusen nach der Behandlung mit Mikrorobotern erholten. © ETH Zürich

Die Mäuse haben die Behandlung nach Angaben des Teams gut vertragen. Hinweise auf schädliche Nebenwirkungen oder Abwehrreaktionen des Immunsystems traten in diesem Zeitraum nicht auf. Offen bleibt aber, wie sich die Nanopartikel langfristig im Körper verhalten. Die Forscher rechnen wegen der Bariumtitanat-Beschichtung mit einer geringen Reaktivität. Künftige Untersuchungen müssen klären, wie der Körper die Partikel abbaut oder ausscheidet.

Wie Mikroroboter künftig auch andere Krankheiten behandeln könnten

Für Menschen ist daraus noch keine Therapie entstanden. Vor ersten klinischen Tests sind noch viele Fragen offen: „Neben vielen klinischen Aspekten müssen wir zuerst testen, welche Magnetfelder beim Menschen am besten funktionieren und wie lange die Stimulation dauern sollte“, sagt Hao Ye.

Der Ansatz könnte später auch für andere Bereiche interessant werden. Pané i Vidal nennt etwa Herzmedizin, Krebsforschung und Wundheilung. „Die reproduzierbare und skalierbare Produktion von Mikrorobotern mit unserem Lab-on-a-Chip-System zeigt, dass das Anwendungspotenzial der Plattform über die Grundlagenforschung hinausgeht“, sagt er. Für die Rückenmarksforschung liefert die Arbeit vor allem einen neuen Weg: Stammzellen sollen nicht nur an eine verletzte Stelle gelangen, sondern dort auch gezielt aktiviert werden.

Kurz zusammengefasst:

Eine Heilung von Querschnittslähmung ist bisher nicht möglich, weil Nervenzellen im Rückenmark kaum nachwachsen und Narbengewebe neue Verbindungen hemmt.
Forscher der ETH Zürich haben winzige Mikroroboter entwickelt, die Stammzellen mit Nanopartikeln verbinden und sich per Magnetfeld steuern lassen.
In Tierversuchen mit Zebrafischen und Mäusen verbesserten sich Nervenwachstum und Bewegung deutlich, doch für Menschen ist daraus noch keine Therapie entstanden.

Übrigens: Auch ein Protein aus Köln ließ gelähmte Mäuse nach einer Rückenmarksverletzung wieder besser laufen, ohne das zerstörte Gewebe direkt zu reparieren. Stattdessen bildeten vorhandene Nervenbahnen neue Umwege für Bewegungen. Mehr dazu in unserem Artikel.