Bionik : Seegurken im Gehirn

Für neuartige Implantate lassen sich Mediziner von der Tierwelt inspirieren. Bei der Seegurke ist es die Haut, beim Gecko sind es die Füße, die der Forschung auf die Sprünge helfen.

Inga Richter
Seegurke
Die Seegurke, ein wirbelloser Meeresbewohner, kann sich bei Gefahr ganz steif machen. -Foto: picture-alliance

Die Diagnosen klingen erschreckend: Parkinson. Schlaganfall. Rückenmarksverletzung. Nicht selten ist eine Lähmung vom Hals abwärts die Folge, verursacht durch eine Störung der Reizleitung zwischen Gehirn und Nervensystem. Bisher sind die Betroffenen gezwungen, sich mit ihrem Schicksal abzufinden. Möglicherweise hilft ein Beispiel aus der Natur, dass sich ihre Situation in Zukunft bessert.

Seit Anfang der neunziger Jahre wird an Hirn implantaten geforscht. Das sind Elektroden, die ins Gehirn eingepflanzt werden, elektrische Signale von dort auffangen, diese verstärken und so beispielsweise die Muskeln stimulieren, erklärt Christoph Weder, Professor an der Case Western Reserve Universität in Cleveland. „Auf diese Weise könnte es für viele Patienten möglich werden, einen Teil der Funktionalität zurück zu erlangen.“

Doch steht diese Technik noch am Anfang. Ein Problem ist, dass die Elektroden häufig nach wenigen Monaten nicht mehr funktionieren. Dann wird eine erneute Hirnoperation notwendig. „Das könnte an der hohen Steifigkeit der Metallelektroden liegen, die zwar beim Einsetzen notwendig ist, aber das weiche Gewebe verletzt“, sagt der Wissenschaftler. Daher fahndeten die Forscher um Weder nach einem Trägermaterial für die ultraflachen Elektroden, das beide Bedingungen in sich vereint: Steifheit im trockenen Zustand für die Operation und Weichheit im feuchten Hirnmilieu, um Verletzungen zu vermeiden.

Die Lösung lieferte die Seegurke: Ein Stachelhäuter, der am Meeresgrund lebt, mit seinem bis zu zwei Meter langen, walzenförmigen Körper nicht besonders attraktiv, aber dennoch mit einzigartigen Fähigkeiten ausgestattet. Die biegsame Struktur ermöglicht es den Tieren, am Meeresboden über Löcher und Spalten zu gleiten. Bei Gefahr verwandelt sich die Körperoberfläche blitzschnell in einen steifen Panzer. Die Forscher fanden heraus, dass die Haut der Seegurken aus einem Netz aus feinen Fasern besteht, die sich im Gefahrenstress ineinander verflechten und so die harte Oberfläche bilden.

Inspiriert durch das Meerestier entwickelte die Forschergruppe nun ein Biopolymer á la Seegurkenhaut, besetzt mit Millionen Zellulosefasern, die sich im trockenen Zustand vernetzen. „Das Nanokomposit wird hart wie eine CD-Hülle“, sagt Weder. Später, eingebettet in das Gehirn, lagern die Fasern Wassermoleküle ein. Dadurch wird der Stoff schmiegsam und erinnert an Gummi.

Die Forscher hoffen nun, dass ein solches Trägermaterial für die Elektroden das Problem der Gewebsverletzungen löst und der Entwicklung von Hirnimplantaten einen Schub verleiht. Christoph Weder hat aber noch weitere Visionen: „Ich denke beispielsweise an einen intelligenten Gips, der vor allem hart sein soll, aber ab und zu weich sein muss, wenn die Gliedmaßen bewegt werden müssen.“

Ist es bei der Seegurke die Haut, so sind es beim Gecko die Füße, die der medizinischen Forschung auf die Sprünge helfen. Lamellengeckos sind dank Milliarden feinster Härchen an der Unterseite ihrer Zehen in der Lage, kopfüber an Glasscheiben entlang zu laufen. Seit 2001 bereits versuchen verschiedene Arbeitsgruppen die Haftfähigkeit der Geckofüße in Wundklebern nachzuahmen und so Nadel und Faden überflüssig zu machen. Bisher funktioniert das aber nur bei äußerlichen Wunden. Im feuchten Inneren lässt die Haftung zu wünschen übrig.

Forscher um Robert Langer und Jeffrey Karp vom Massachusetts Institute of Technology erfanden ein Klebeband, das der Feuchtigkeit standhält und somit auch bei inneren Operationen angewendet werden könnte, etwa bei Eingriffen am Herz. Es besteht aus einem speziellen Acrylat, einer Substanz, die für den Verschluss von Wunden günstige Eigenschaften zeigt. Hochfeine Oberflächenstrukturen aus wenigen tausendstel Millimeter langen, zapfenartigen Erhebungen, verleihen dem Stoff eine hohe Klebekraft. Zudem löst er sich nach der Wundheilung im Körper auf, ohne Entzündungen auszulösen oder giftige Rückstände zu hinterlassen. Als weitere Nutzung schlägt Karp vor, Medikamente aufzubringen, beispielsweise solche, die die Heilung fördern.

Erprobt wurde das Band am Darmgewebe von Schweinen und an Ratten, bei denen die Wissenschaftler Bruchoperationen simulierten und das zerrissene Bauchgewebe schließlich erfolgreich wieder verschlossen. Die viel versprechenden Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „PNAS“ veröffentlicht. Tierversuche müssen nun zeigen, ob die Methode für Menschen gut verträglich ist. Karp schätzt, dass die Zulassung des Klebers dann in zwei bis fünf Jahren erfolgen könnte. Seegurke und Gecko haben also noch etwas Zeit, sich auf ihren Ruhm vorzubereiten.

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