Neuronale Schnittstellen zur Behandlung von Epilepsie durch elektrophoretische Applikation von photopharmakologischen Wirkstoffen in einem optoelektronischen Implantat

• Antragsteller: Dr. Johannes Gurke
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Biologische und Biomimetische Chemie ; Kognitive, systemische und Verhaltensneurobiologie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 427938672

Eine Schnittstelle zum Gehirn ist essenziell für ein tieferes Verständnis neuronaler Prozesse und für den medizinischen Fortschritt in der Behandlung neurologischer Erkrankungen, wie Epilepsie. Ungleichgewichte zwischen erregenden und hemmenden Signalen wurde als Grund für epileptische Anfälle identifiziert. Erste in vivo Studien zeigen, dass die Kopplung interkortikaler Injektion von Antikonvulsiva und der Messung neuronaler Aktivität in unmittelbarer Nähe zur Injektionsstelle ein vielversprechender Therapieansatz ist. Die langsame Diffusion des Arzneimittels innerhalb des Gehirngewebes nach der elektrophoretischen Applikation mittels einer organische Ionenpumpe begrenzt die zeitliche Auflösung dieser Methode signifikant. Hinzu kommt, dass die genaue Vorhersage des Auftretens und der Intensität eines Anfalls noch nicht möglich ist, trotz verbesserter Messmethoden. Daraus erwächst die Wichtigkeit einer hohen zeitliche Kontrolle der Konzentration des Antikonvulsivums innerhalb des Gewebes nach der Injektion. Die Nutzung von Licht ist aufgrund der nicht-invasiven Natur und der räumlich und zeitlich präzisen Applizierbarkeit ein möglicher Ansatz um eine solche Kontrolle zu erreichen. Das Konzept der Photopharmakologie basiert auf der strukturellen Verbindung von pharmakologischen Wirkstoffen mit molekularen Photoschaltern. Umfangreiche Forschung zu photoaktiven, exzitatorischen und inhibitorischen Neurotransmittern wurden durchgeführt, wobei Licht zur reversiblen De/-Aktivierung der pharmakologischen Wirkung im Zentralnervensystem genutzt wurde. Studien im Bereich der Optogenetik brachten eine Vielzahl von implantierbaren, optoelektronischen Sonden, zur Bestrahlung biologischen Gewebes hervor.Die Zusammenführen von Photopharmakologie, intrakortikaler Injektion und Messung sowie implantierbarer Optoelektronik kann die Probleme jedes einzelnen Ansatzes überwinden und ein wirksames Instrument für eine neue Therapien darstellen. Um dies zu erreichen, sollen Leuchtdioden mit einer flexiblen, organischen Elektrode und einer mikrofluidischen Ionenpumpe, welche einen photoaktiven Glutamat-Antagonisten injiziert, verbunden werden. Die konstante Überwachung neuronaler Aktivitäten wird die Vorhersage der Wahrscheinlichkeit eines Anfalls erlauben. Wenn diese auf eine erhöhte Wahrscheinlichkeit hinweist, wird der inaktive Wirkstoff injiziert, ohne dass dieser Auswirkung auf die Aktivität hat. Im Fall eines tatsächlichen Anfalls wird rotes Licht eingestrahlt, wodurch die Weiterleitung von Aktionspotentialen unterbrochen wird. Abhängig von der gemessenen Intensität des Anfalls wird die pharmakologisch-aktive Wirkstoffkonzentration im Gewebe durch rotes Licht erhöht bzw. durch Beleuchtung mit blauem Licht verringert, was eine präzise Kontrolle ermöglicht.Die Integration aller Systemkomponenten in ein Implantat, insbesondere dessen Konstruktion, Mikrofabrikation, Charakterisierung und Optimierung für eine Anwendung, wird die Hauptaufgabe dieses Projekts sein.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Gastgeber: Professor Dr. George Malliaras