Ein aufpumpbares Implantat könnte gegen chronische Schmerzen helfen, ohne dass dafür eine Operation nötig wird. Direkt am Rückenmark eingesetzt, gibt es leichte Stromstöße ab, die die Schmerzleitung hemmen. Der Clou jedoch: Das Elektrodenpflaster ist eng eingerollt und kann mit einer simplen Spritze an seinen Wirkort gebracht werden. Erst dort entfaltet es sich durch eine injizierte Flüssigkeit und bekommt seine flache Form.
Millionen Menschen leiden unter chronischen Schmerzen – vor allem im Rücken. In vielen Fällen kann zwar gezielte Bewegungstherapie kombiniert mit Schmerzmitteln oder sogar einem Placebo die Beschwerden lindern. Es gibt aber auch viele Fälle, in denen alle gängigen Methoden versagen und selbst eine Operation nicht hilft – der Schmerz geht einfach nicht weg.
Elektroden am Rückenmark als Schmerzblocker
Eine letzte Option für solche hartnäckigen Schmerzen ist die Rückenmarks-Stimulation. Bei dieser werden Elektroden an das Rückenmark eingepflanzt und geben gezielte Strompulse ab, die die Schmerzleitung blockieren. „Die Rückenmarks-Stimulation wird nur eingesetzt, wenn nichts anderes mehr hilft“, erklärt Seniorautor Damiano Barone von der University of Cambridge. Pro Jahr finden weltweit rund 50.000 solcher Eingriffe statt.
Allerdings haben sie auch Nachteile: Bei einem Typ dieser Behandlung wird ein flaches, paddelartiges Elektrodenfeld aufs Rückenmark gelegt, was eine gute Abdeckung erzielt, aber eine riskante Operation erfordert. Einzelne Elektroden können zwar auch per Spritze implantiert werden, decken aber nur kleine Bereiche ab und wirken daher weniger gut.
Per Injektion applizierbar
„Unser Ziel war es, das beste dieser beiden Welten zu vereinen – einen effektiven Stimulator, der aber keine komplexe und riskante Operation erfordert“, sagt Barones Kollege Christopher Proctor. Dies könnte dem Team nun gelungen sein: Durch eine Kombination von Softrobotik, ultradünner Elektronik und Mikrofluidik haben sie ein flächiges Elektrodenfeld konstruiert, das mehrere Wirbel abdecken kann, aber trotzdem mittels Spritze an seinen Wirkort gelangt.
Konkret besteht ihr Implantat aus einer nur 60 Mikrometer dünnen, flexiblen Elektrodenmatte. Diese kann so eng zusammengerollt werden, dass sie in eine Spritze passt. Der Clou dabei: Am Rückenmark angelangt entrollt sich die winzige Matte wie von selbst. Möglich wird dies durch winzige Flüssigkeitskanäle, die in die Matte integriert sind, und einem sonst bei Soft-Robotern verwendetem Trägermaterial, das sich dank einer Art Formgedächtnis von selbst ausrollt.
Mikrofluidik sorgt fürs Entrollen
Ist das Implantat injiziert und korrekt platziert, wird es mit Wasser aufgepumpt und entrollt sich wie eine Art Miniaturluftmatratze. „Die Dünnfilm-Elektronik ist nichts Neues, aber die integrierten Fluidkammern machen unser Implantat einzigartig – dadurch kann es im Patienten zu einer mattenartigen Form aufgepumpt werden“, erklärt Proctor. Anschließend wird der korrekte Sitz der Elektrodenmatte mittels Röntgenuntersuchung überprüft.
Sitzt alles korrekt, wird das Implantat mit einem außen liegenden Pulsgenerator verbunden und die Elektroden beginnen, winzige Strompulse direkt ans Rückenmark abzugeben. „Unsere ersten Versionen waren so dünn, dass sie im Röntgenbild nicht zu sehen waren“, berichtet Erstautor Ben Woodington von der University of Cambridge. „Wir haben dann etwas Wolfram zugesetzt, um es sichtbar zu machen, ohne die Dicke ändern zu müssen.“
Erste Tests vielversprechend
Wie gut sich das Implantat positionieren lässt, haben die Forscher zunächst an menschlichen Leichen getestet. Dafür ließen sie einen Neurochirurgen die Elektrodenmatte am dritten und vierten Lendenwirbel einsetzen. „Die Intention dahinter war es, die praktische Handhabbarkeit des Implantats zu testen“, erklären die Wissenschaftler. Weil das Implantat an das menschliche Maß angepasst ist, ist es zu groß für Tests mit Mäusen oder anderen kleinen Versuchstieren.
Die Versuche bestätigten, dass sich die Elektrodenmatte zielgenau implantieren und ausrollen lässt. Im nächsten Schritt sind nun Tests mit größeren Tieren geplant. Sollte sich die Methode auch dort bewähren, könnte dies den Weg zu einer neuen, weniger invasiven Form der Rückenmarks-Stimulation eröffnen. Das Forschungsteam hofft, dass schon in zwei bis drei Jahren mit klinischen Studien an menschlichen Patienten begonnen werden kann.
„Ein solches Implantat, das keine Operation für seine Platzierung benötigt, könnte vielen schmerzgeplagten Menschen Linderung verschaffen“, sagt Barone. Zudem könnte die Elektrodenmatte auch für andere Zwecke modifiziert werden – beispielsweise zur Rückenmarks-Stimulation bei Parkinson-Patienten oder sogar Querschnittsgelähmten. (Science Advances, 2021; doi: 10.1126/sciadv.abg7833)
Quelle: University of Cambridge
