Der Vagus-Nerv ist eigentlich ein ganzes Bündel von Nerven, in denen viele Informationen durch den Körper geleitet werden. Er ist dementsprechend auch nicht besonders dünn. Dennoch nutzen die Wissenschaftler und Entwickler der Freiburger Neuroloop GmbH gerade ihn, um mit extrem filigranen Elektroden Signale durch den Vagus-Nerv ans Gehirn zu leiten: So wollen sie den Blutdruck im Körper beeinflussen.
Damit greifen sie in einen natürlichen Regelkreis ein. Der Körper verfügt über Stellmittel, die den Blutdruck beeinflussen – so sind die Gefäße elastisch und können enger oder weiter werden. Wenn nun eine Elektrode an den Hirnstamm das Signal aussendet, dass der Blutdruck schon extrem hoch ist, muss der Körper reagieren und sein Programm zum Senken des Druckes fahren.
Der Trick dabei: Das Signal von der Elektrode vermittelt den Eindruck, als ob viel höhere Werte erreicht wären, als sie tatsächlich vorliegen. In gewisser Weise führt es den körpereigenen Regelkreis also hinter das Licht. „Aber damit ist präklinisch, mit erheblich geringeren Nebenwirkungen als wir sie von pharmakologischen Mitteln kennen, eine Senkung des Blutdrucks um 20 bis 30 mm Quecksilbersäule möglich“, berichtet Dr. Dennis Plachta. Er ist einer der beiden Geschäftsführer des Start-ups Neuroloop. Als Assistent am Freiburger Institut für Mikrosystemtechnik (Imtek) hat er in der Gruppe von Prof. Thomas Stieglitz gearbeitet und in enger Kooperation mit Prof. Josef Zentner und Dr. Mortimer Gierthmühlen von der Klinik für Neurochirurgie die wissenschaftlichen und technischen Grundlagen für den neurostimulatorischen Ansatz mit entwickelt – die Neuroloop nun zur Behandlung von Krankheiten wie dem Bluthochdruck einsetzen will.
Neurostimulation – ein aufstrebender Bereich
Neurostimulation – ein Oberbegriff, unter den auch die Neuromodulation zu fassen ist – ist ein aufstrebender Bereich in der Medizintechnik. Bekannte und schon etablierte Produkte sind Herzschrittmacher. Sie verwenden klassische Elektronik auf Siliziumbasis, die in einem – im Laufe der Entwicklung immer kleiner gewordenen – Metallgehäuse in den Brustkorb eingesetzt wird und den Herzmuskel mit Elektroden zu seinen rhythmischen Bewegungen anregt. Nerven elektrisch zu reizen, um erwünschte Effekte zu erzielen, ist auch das Prinzip der Tiefen Hirnstimulation, die Patienten helfen soll, die an Parkinson leiden. Mit Mattenelektroden, die im Gehirn flach auf dem Cortex aufliegen, sollen die oszillierenden Potenziale überschrieben werden, die die Phänomene der Epilepsie auslösen.
Klassische Elektroden sind nicht für alle Fälle geeignet
Neue Entwicklungen in der Elektronik geben den Wissenschaftlern inzwischen aber andere Möglichkeiten an die Hand. „Wenn ich mit relativ großen Elektroden arbeite, kann ich damit einen Nerv erreichen, der für nur eine Funktion zuständig ist, und an diesem Effekte auslösen“, erläutert Plachta. Allerdings beeinflusst der Draht, der den Strom an die gewünschte Stelle bringen soll, das umliegende weiche Gewebe, denn er ist viel härter und fester als dieses und scheuert in gewisser Weise daran. Unter Umständen können solche Elektroden vom Körper auch eingekapselt und dann wirkungslos werden.
Der naheliegende nächste Schritt führte daher zu flexibleren Elektroden, mit besonders dünnen und biegsamen „Drähten“, die von Silikon umgeben sind. Sie sind zwar flexibel genug, um sie zu einer Manschette einzurollen. „Damit lässt sich schon mehr erreichen als mit den bis dahin üblichen festen Strukturen“, sagt Plachta. Die silikonumhüllten Elektroden würden aber nicht umsonst als Dickfilmelektroden bezeichnet: „Wir reden da über Dicken von ein bis zwei Millimeter – das sind also Elemente, die man, wenn man sie zusammenrollt, an vielen Stellen am Körper unter der Haut erfühlen könnte und mit denen man sicher nicht einzelne Bereiche in einem Nervenstrang ansprechen kann.“
Die Technik, die Neuroloop derzeit weiterentwickelt, basiert hingegen auf Dünnschichtelektroden, die mit Verfahren aus der Leiterplattenherstellung gefertigt werden. Da werden durch Masken hindurch sehr dünne Polyimidstreifen belichtet und feinste Vertiefungen eingeätzt, die im Nachgang mit dem leitenden Material gefüllt werden – in diesem Fall Platin. Das Ergebnis dieses photolithographischen Prozesses sind Elektroden, die um den Faktor Hundert dünner sind als die Dickfilmelektroden und nach Angaben von Plachta die unter Laborbedingungen die gleiche Dauerstabilität erreichen. Die Technik dafür hat er in seiner Zeit am Imtek entwickelt.
„Einen solchen Prototypen herzustellen, mit Maske und allem Drum und Dran, dauert leicht eine Woche oder auch einen Monat und ist sehr aufwendig“, sagt Plachta. Dafür hat die Technik auf lange Sicht einen Vorteil: Wenn das Konzept steht, lassen sich mit Hilfe der Maske tausende von Elektroden automatisiert und innerhalb kurzer Zeit herstellen. „Das unterscheidet sie von den Dickfilmelektroden, die mit hohem handwerklichen Aufwand einzeln hergestellt werden – was sich maschinell nur sehr schwer umsetzen ließe.“
Mit vielen Kanälen lassen sich verschiedene Bereiche stimulieren
Entscheidender als der Vorteil in der Produktionstechnik ist für die Anwendung aber die Tatsache, dass selbst in diesen dünnen Elektroden eine ganze Reihe von Kanälen unterzubringen sind. Wickelt ein Neurochirurg die ganze Elektrode um einen Nervenstrang wie den Vagus herum, so liegen die Zielpunkte der Kanäle an unterschiedlichen Stellen und sprechen damit verschiedene Nervenfasern in dem ganzen Bündel an. Damit sind verschiedene Funktionen im Körper, die über diese Nervenfasern angesteuert werden, stimulierbar oder auch modulierbar, über die Elektrode also von außen steuerbar.
„Die Selektivität ist entscheidend für uns“, sagt Plachta. Ein Arzt würde niemals zustimmen, dass man einen Nerv mit so vielen Funktionen wie den Vagus mit einer klassischen Elektrode angeht. Diese würde den Nerv penetrieren und eine unvorhersehbare Vielfalt an erwünschen und unerwünschten körperlichen Reaktionen auslösen. „So etwas ist nur akzeptabel, wenn es zum Beispiel um ein Nervenende geht, das nach der Amputation einer Hand einen Phantomschmerz auslöst – wenn der Nerv eigentlich keine Funktion mehr im Körper hat, kann man sich ihm auch mit solchen recht unspezifischen Mitteln nähern.“
Um über den Vagus-Nerv den Blutdruck in der gewünschten Weise zu beeinflussen, ist ein sensibleres Vorgehen erforderlich. „Wir können, sobald die Dünnschichtelektrode implantiert ist, testen, welcher der Kanäle die relevante Stelle im Nerv erreicht und dann über diesen Kanal die Wirkung auslösen“, erläutert der Geschäftsführer. Dass das prinzipiell funktioniert, ist in Großtierversuchen mit Schweinen bereits nachgewiesen worden. „Wir sind also auf dem Weg, alle Daten zu sammeln, die wir vor ersten Untersuchungen in Menschen dem BfArM vorlegen müssen.“ Der Start einer ersten klinischen Studie ist für Anfang 2019 im Plan eingetragen, den Neuroloop mit dem Hauptinvestor erstellt hat: der Aesculap AG aus Tuttlingen; ein Tochterunternehmen der B.Braun Melsungen AG.
Aesculap ist Hauptinvestor beim Start-up Neuroloop
Aesculap investiert in die Technologie, um das eigene Portfolio zu erweitern und in einen Markt einzusteigen, der eine interessante Zukunft zu haben scheint. Die Technik, wie sie in Freiburg entwickelt wird, ist weltweit nur bei einer Handvoll Forschungsinstitute im Einsatz. „Dort geht es aber um Retina-Implantate oder um die Schmerztherapie“, sagt Plachta.
Die Behandlung von Bluthochdruck mittels Neurostimulation wäre für Neuroloop ein Alleinstellungsmerkmal. Wenn der Plan aufgeht, sollen 2022 die ersten Produkte soweit sein, dass sie das CE-Kennzeichen tragen und dann die Vermarktung in größeren Kliniken beginnt. „Bis die Produkte in größerer Zahl eingesetzt werden oder Krankenkassen die Behandlungskosten übernehmen, werden aber auch danach noch einige Jahre ins Land gehen“, sagt Plachta.
Ein Vorteil, den die Entwickler gegenüber Arzneimitteln sehen, ist, dass es keine Probleme mit Compliance oder dem „Vergessen der Pillen“ mehr gebe. Das Produkt koste natürlich mehr als die Medikamente, aber eben nur einmalig. „Und der Patient kann das Gerät selbst ausschalten, wenn er im Moment gerade keine Blutdruckabsenkung gebrauchen kann“, sagt der Wissenschaftler. Ein Magnetschalter gebe dazu die Möglichkeit.
Das Implantat ist aber kein Wundermittel. Trotz der Senkung des Blutdrucks, die es auslöst, muss sich der Patient gleichzeitig – und wie auch bei einer Behandlung mit Medikamenten erforderlich – auf eine angepasste Ernährung umstellen und sich bewegen. Ein ins Implantat eingebauter Beschleunigungssensor könnte entsprechende Daten aufzeichnen und dem Arzt übermitteln, so dass dieser mit dem Patienten besprechen kann, ob er seine Lebensumstände, was die körperliche Betätigung angeht, ausreichend verändert.
Nach Baroloop wird an weiteren Produkten gearbeitet
Wenn der Stimulator, der den Produktnamen Baroloop tragen soll, das Stadium der Marktreife erreicht haben wird, will die Aesculap AG die Herstellung und Vermarktung übernehmen. Welche weiteren Möglichkeiten die Manschettenelektrode bietet, soll dann in einer Art Think Tank erforscht werden, was die Arbeit an neuen Produkten einschließen könnte.
„Über den Vagus-Nerv wird nicht nur der Blutdruck geregelt“, sagt Plachta. Auf dem gleichen Weg – wenn auch an anderen räumlichen Bereichen – könnten sich Erkrankungen wie Epilepsie oder schwere Depressionen behandeln lassen. Aufgrund der selektiven Elektrodentechnologie sei jedoch mit erheblich geringeren Nebenwirkungen zu rechnen als bei herkömmlichen zweikanaligen Vaguselektroden, und die Behandlung könne effizienter verlaufen. „Und es gibt exotische Krankheiten, die einige Tausend Patienten betreffen und die mit Medikamenten nicht behandelbar sind.“ Ein Beispiel sei das Cyclic Vomiting Syndrome. Die Patienten erbrechen sich ihr Leben lang mehrmals täglich, unabhängig davon, ob sie etwas essen oder was das im Einzelnen ist. „Wenn wir diesen Patienten mit unserem Neurostimulator helfen könnten, würde mich das sehr freuen“, sagt Plachta.
Weitere Informationen
Über das Unternehmen Neuroloop
Mehr über die Entwicklungen in der flexiblen Elektronik für die Medizintechnik (Titelthema der September-Ausgabe 2017 von medizin&technik)
Über Neurogrid – eine Entwicklung französischer Wissenschaftler, mit der sich Daten zur Epilepsie mit Hilfe flexibler Elektronik im Gehirn messen lassen
