Bioelektronik als neue medizinische Disziplin: Kleine Stromstöße mit heilsamer Wirkung

Der Vagusnerv ist einer der längsten Nerven des Menschen. Er reicht vom Gehirn bis in den Verdauungstrakt hinab. Er bildet den Kern des autonomen Nervensystems, bestimmt, wie schnell unser Herz schlägt, wie flach oder tief wir atmen und ob wir schwitzen oder frösteln.

Das ist lange bekannt, doch erst seit ein paar Jahren wissen Forscher: Wenn dieser Nerv nur wenige Minuten mit Strompulsen stimuliert wird, verändert sich auch das Immunsystem. Es werden weniger Entzündungsbotenstoffe, sogenannte Zytokine, ins Blut freigesetzt, und das über die Dauer eines Tages. Tiermodelle mit schwerer Blutvergiftung erlitten weniger ausgedehnte Organschäden, wenn ihr Vagusnerv elektrisch angeregt wurde.

Den Neurochirurgen Kevin Tracey brachte das auf eine Idee: Könnten sich all die immunologisch bedingten Krankheiten, von Diabetes über Asthma, Arthritis und Krebs, womöglich mit einer Stromtherapie der Nerven behandeln lassen?

Tracey, der am Feinstein-Institut in Manhasset im US-Bundesstaat New York arbeitet, gilt seitdem als Begründer der „Bioelektronik“, einer „neuen Ära der Medizin“, meint Peder Olofsson vom Karolinska-Universitätskrankenhaus in Stockholm, ein weiterer Protagonist der neuen Disziplin. Eine „Revolution im Umgang mit Krankheiten“ stünde bevor.

Winzige Chips, die elektrische Impulse aussenden

Das Therapeutikum besteht nicht aus Molekülen, Zellen, Gewebe oder Organen, sondern aus Mikroimplantaten, winzigen Chips, die mit elektrischen Impulsen die Physiologie von Zellen beeinflussen – als Mittel gegen Darmerkrankungen, Rheuma und Lähmungen. Das britische Pharmaunternehmen GlaxoSmithKline investiert bereits in die bioelektronische Medizin.

Gemeinsam mit Google gründete es 2016 Galvani Bioelectronics und stattete das Start-up mit mehr als 500 Millionen Euro aus. Bis 2021 steckt das Nationale Gesundheitsinstitut der USA 238 Millionen US-Dollar in die neue Disziplin.

Was die „bioelektronische Medizin“ kann, muss sich aber erst zeigen. Bislang sind erst zwei klinische Studien abgeschlossen. „Sie sind ermutigend“, meint Olofsson, „obwohl wir im Verständnis des Wechselspiels von Nerven und molekularen Vorgängen noch am Anfang stehen.“ Eine der Studien finanzierte GlaxoSmithKline.

17 Patienten mit rheumatoider Arthritis, denen klassische Medikamente nicht halfen, bekamen am Hals einen Vagusnervstimulator eingepflanzt, entwickelt vom US-Unternehmen SetPoint Medical und eigentlich vorgesehen für Epilepsiepatienten, wofür er in den USA zugelassen ist. Ein- bis viermal am Tag konnten die Arthritispatienten ihren Vagusnerv selbst für eine Minute mit schwachen Strompulsen stimulieren.

Dafür mussten sie lediglich mit einem Magneten über die Stelle des Halses fahren, unter der das Implantat saß. Diese Bewegung aktivierte das Gerät.

Eine Studie auch mit Patienten, die unter Morbus Crohn leiden

Nach einem Monat hatten etliche Patienten weniger ausgeprägte Symptome, sagt Studienautorin Frieda Koopman, Rheumatologin an der Universität Amsterdam. Ihre Gelenke waren immer noch geschwollen und schmerzten, aber nicht mehr so stark wie vor dem Experiment. Die Werte mehrere Zytokine im Blut sanken unter der Stromtherapie, heißt es im Fachblatt „PNAS“.

Ein Jahr später, 2017, berichtete der Gastroenterologe Bruno Bonaz vom Universitätsspital in Grenoble über eine Pilotstudie an sieben Patienten mit entzündlichen Darmkrankheiten, Morbus Crohn und Colitis ulcerosa. Über drei Monate reizte er den Vagusnerv der Betroffenen mit einem kommerziell verfügbaren Implantat für je dreißig Sekunden alle fünf Minuten.

Zwei Betroffene sprachen darauf nicht an. Die fünf übrigen erholten sich Bonaz zufolge. Bei einer Darmspiegelung fand er auch ein halbes Jahr später weniger Läsionen im Verdauungstrakt.

Bisher gelten Herz- und Hirnschrittmacher als rein mechanisch-elektrische Bauteile, die ein Organ dazu bringen, korrekt zu arbeiten, es aber nicht verändern. Doch der Mensch ist keine Maschine. Das Gewebe reagiert auf die elektrischen Reize und passt sich an. Das zeigt sich besonders deutlich an Patienten mit inkomplettem Querschnitt, die nach bioelektronischer Behandlung mittlerweile wieder ein paar Schritte tun können.

Erst das tiefere Verständnis, wie das Laufen elektrophysiologisch koordiniert ist, ermöglichte diesen Durchbruch.

Die für das Gehen nötigen Bewegungsabläufe sind in den Nervenzellen des Rückenmarks und dort auf Höhe der Lendenwirbelsäule gespeichert. Das zeigen Experimente an Ratten und Katzen. Selbst wenn die Tiere sediert waren, das Gehirn also keine Kontrolle über die Bewegungen hatte, liefen sie auf Laufbändern los, wenn ihr Rückenmark an der richtigen Stelle und gezielt elektrisch gereizt wurde. Die abgestimmten Strompulse lösten die koordinierten Bewegungen des Gehens aus.

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Die Neurowissenschaftlerin Vivian Mushawar von der kanadischen Universität in Alberta kartierte diesen Vorgang und zeichnete für jede Bewegung die nötigen Strompulse auf, die im Bereich von zehn bis 150 Mikroampere liegen. „Das Laufen kann in vier Bewegungsabfolgen gegliedert werden: Bein anheben, nach vorne schwingen, absetzen und nach hinten bewegen.

Und genau dieses Bewegungsquartett ist im Rückenmark archiviert“, sagt sie. Dabei sind die Orte und Muster der Aktivierung speziesübergreifend nahezu identisch, wie sie bei Primaten und Katzen nachwies und im September 2019 im Fachblatt „Scientific Reports“ schrieb. Es existiert ein Plan für das Gehen in den Nerven des Rückens.

Darauf aufbauend konnten zwei Forschergruppen, eine um Kendall Lee von der Mayo Clinic in Rochester und jene um den Neurologen Gregoire Courtine von der Eidgenössischen Polytechnischen Hochschule in Lausanne, 2018 mit spezifischer Stimulation des Rückenmarks gelähmte Patienten dazu bringen, die Beine wieder zu bewegen. Nach Monaten des harten Trainings konnten diese, teils ohne, teils mit Gehhilfe ein paar Schritte laufen.

Neue Nervenverbindungen geknüpft

Besonders bemerkenswert ist aber – und darin unterscheidet sich bioelektronische Medizin von bekannter Medizintechnik: In den Experimenten von Courtine konnten die Probanden nach einiger Zeit auch ohne Stromstimulation des Rückenmarks Schritte machen. „Es wurden neue Nervenverbindungen geknüpft“, sagt Courtine. Das therapeutische Potenzial der Stromtherapie liegt also in den molekularen Veränderungen in den Zellen.

Courtine hat eine klinische Studie mit bis zu zwanzig Patienten mit frischer Querschnittsverletzung oder Lähmung begonnen, die über die elektrische Stimulation des Rückenmarks wieder auf die Beine kommen sollen. Zusätzlich bekommen sie Arzneien, die das Nervenwachstum anregen. Die Implantate selbst könnten diese Medikamente eines Tages zusätzlich zum Strom absondern.

„Nicht Strom oder Pille wird es in Zukunft sein, sondern die geschickte Kombination von beidem“, stellt Olofsson klar. Die Bioelektronik benötigt dafür miniaturisierte, smarte Implantate. Sie sollten die Nervenzellen möglichst ortsgenau stimulieren, um gezielt die gewünschten therapeutischen Effekte hervorzurufen. Im besten Fall sind die Systeme nicht größer als eine Tablette.

Das sei kein Problem mehr, sagt Vasiliki Giagka vom Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration. Die Implantate können inzwischen wenige Mikrometer klein sein und kabellos aufgeladen werden, aber die Energieversorgung sei noch nicht zuverlässig genug. Bislang halten die Systeme nur einige Monate, sagt Giagka.

Sie versucht die Mikroimplantate im Körper beständiger zu machen, sodass sie nicht binnen kurzer Zeit von Narbengewebe umschlossen werden. Dann dringen die Strompulse nicht mehr zu den Nervenfasern durch. „Der Strom ist entscheidend, genauer gesagt: das elektrische Feld“, sagt Giagka.

„Wenn es punktuell sehr stark ist, geht das Gewebe zugrunde.“ Aber wenn es großflächiger ist, dann wirkt sich das auf die Zellen günstiger aus. Und vielleicht heilsam für viele.