Neuer Ansatz bei Rückenmarkverletzungen

In Zürich hat ein Team Stammzellen und magnetoelektrischen Nanopartikeln zu steuerbaren Mikrorobotern kombiniert, die gezielt die Zellentwicklung an verletzten Stellen im Rückenmark stimulieren können.

Erste Versuche wurden zwar nur an Zebrafischen und Mäusen durchgeführt, dennoch sind die Ergebnisse vielversprechend: Ein Team der ETH Zürich hat Stammzellen und magnetoelektrische Nanopartikel so kombiniert, dass sie zu steuerbaren Mikrorobotern werden. Ihr Ziel: verletzte Stellen im Rückenmark. Dort werden sie dann so positioniert, dass sie mittels Magnetfeldern die Zellentwicklung stimulieren. In den bisherigen Versuchen regenerierten sich die Nervenzellen dank der Mikroroboter-Behandlung schneller, was die motorischen Funktionen deutlich verbesserte. Das ist insofern ein Durchbruch, weil sich Nervenzellen im Rückenmark nur sehr selten natürlich regenerieren. Oft verhindert eine Vernarbung das Nachwachsen von Nervenfasern.

Moderne Therapien versuchen daher unter anderem, implantierte Stammzellen mithilfe von Elektrostimulation so zu beeinflussen, dass dadurch das Wachstum neuer Nervenzellen gefördert wird. Das hat verschiedene Nachteile: Es müssen körperfremde Elektroden eingesetzt werden und die transplantierten Zellen überleben nicht immer oder sie integrieren sich nur schlecht ins bestehende Gewebe.

Zellen und Nanopartikel klug kombiniert

Die Forschenden in Zürich verfolgen daher einen neuen Ansatz, den sie nun auch in der Fachzeitschrift Nature Materials veröffentlicht haben. Ihre Kernidee besteht darin, dass sie therapeutische Stammzellen mit magnetoelektrischen Nanopartikeln so verbinden, dass sie diese dann mithilfe von externen Magneten genau an die richtige Stelle lenken und die Stammzellen dort stimulieren können.

Die Forschenden haben dazu einen biohybriden Mikroroboter entwickelt. Biohybrid, weil er lebende, neurale Vorläuferzellen (Neural Progenitor Cells, kurz NPC) mit einer technischen Komponente, speziellen Nanopartikeln kombiniert. Die Vorläuferzellen werden aus sogenannten induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS-Zellen) gewonnen. Dabei handelt es sich um gewöhnliche Körperzellen, die im Labor so verändert werden, dass sie wieder die Eigenschaften von Stammzellen erhalten. Aus iPS-Zellen können sich verschiedene Zelltypen des Nervensystems entwickeln.

Die Nanopartikel bestehen aus zwei Schichten: einem inneren Teil, der auf Magnetfelder reagiert, und einer äußeren Schicht, welche diese Reaktion in elektrische Signale umwandelt. Aus der Kombination dieser speziellen Nanopartikel und den Vorläuferzellen fabrizieren die Forschenden die sogenannten NPC-Bots.

Ein Roboter in Chipgrösse

Die NPC-Bots stellen die Forschenden in speziellen Labors her – auf nur einem Quadratzentimeter. „In der Mitte haben wir ein Reservoir platziert, in dem wir die Zellen einfangen. Dann injizieren wir die Nanopartikel und warten, bis sich die zwei Komponenten verbinden“, erklärt Professor Salvador Pané i Vidal vom Multi-Scale Robotics Lab der ETH Zürich. Nach nur 30 Minuten sind die rund sechs Mikrometer großen NPC-Bots fertig. „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 benötigen die ETH-Forschenden für zellbasierte Studien Hunderttausende und für Tierversuche mehrere Millionen Mikroroboter.

Verletzte Zebrafische schwimmen wieder

Das Team hat die NPC-Bots an Rückenmarksverletzungen bei Zebrafischlarven getestet. Dabei wurden die Mikroroboter exakt an die verletzte Stelle der Fische gespritzt und elektromagnetische Felder erzeugt. Nach nur drei Tagen zeigten die Zebrafische ein nahezu normales Schwimm- und Erkundungsverhalten.  Die Forschenden testeten die NPC-Bots auch an Mäusen mit einem vollständig durchtrennten Rückenmark. Auch hier waren die Ergebnisse erfolgsversprechend: Nach 28 Tagen waren die Nervenzellen an der Verletzungsstelle bei den Tieren verbunden. Die behandelten Mäuse bewegten sich in dieser Zeit zunehmend besser – Gangbild, Schrittlänge, Koordination und Erkundungsverhalten normalisierten sich deutlich.

Dieses Resultat ist deshalb entscheidend, weil sich bei Mäusen das Rückenmark – im Gegensatz zu dem der Zebrafische – normalerweise nicht regeneriert. Die Tiere vertrugen die Behandlung gut, es traten keine schädlichen Nebenwirkungen oder Immunreaktionen auf.

Mit minimalinvasiver Stimulation zum Erfolg 

Möglich wurden diese Erfolge durch die elektrische Stimulation der Stammzellen, was deren Differenzierung nach der Transplantation besonders fördert. Dabei wandeln die Nanopartikel magnetische Signale direkt in elektrische Impulse um, welche die Stammzellen gezielt stimulieren. Bei den NPC-Bots müssen die Forschenden nur externe Magnetfelder verwenden, die rund um die zu reparierende Stelle angeordnet werden. Im Gegensatz zu bisherigen Ansätzen benötigt die Methode keine implantierten Elektroden oder Kabel. Dies ist wichtig, da das Rückenmark äußerst empfindlich ist.

Bis die NPC-Bots im Menschen angewendet werden können, wird es aber noch länger dauern. Trotzdem denken die Forschenden bereits jetzt über weitere Anwendungen nach: „Die reproduzierbare und skalierbare Herstellung von Mikrorobotern mit unserem Lab-on-a-Chip-System zeigt, dass das Anwendungspotenzial der Plattform über die Grundlagenforschung hinaus geht“, erläutert Professor Pané i Vidal. Diese könnte zum Beispiel auch für die Kardiologie, die Onkologie, die Wundheilung und andere gezielte regenerative Therapien angepasst werden. So könnten auch diese Behandlungen dereinst sicherer, kontrollierbarer und wirksamer werden.