Mikroroboter können das Rückenmark reparieren

Forschende der ETH Zürich (Schweiz) kombinieren Stammzellen mit magnetoelektrischen Nanopartikeln zu steuerbaren Mikrorobotern. Diese lassen sich gezielt zu verletzten Stellen im Rückenmark lenken und stimulieren dort die Zellentwicklung, wie die Wissenschaftler an Zebrafischen und Mäusen zeigen konnten.

Nach Rückenmarksverletzungen regenerieren sich die Nervenzellen im Rückenmark nur selten natürlich. Oft verhindert eine Vernarbung das Nachwachsen von Nervenfasern. Moderne Therapien versuchen unter anderem, implantierte Stammzellen mithilfe von Elektrostimulation so zu beeinflussen, dass dadurch das Wachstum neuer Nervenzellen gefördert wird. Das hat verschiedene Nachteile: Es müssen dafür körperfremde Elektroden eingesetzt werden und die transplantierten Zellen überleben nicht immer oder sie integrieren sich nur schlecht ins bestehende Gewebe.

Zellen und Nanopartikel kombiniert

Die Forschenden in Zürich verfolgen einen neuen Ansatz, den sie 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 induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS-Zellen) gewonnen. 

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 Labor 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 Prof. 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 erfolgversprechend: 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. „Wir können durch die mikrorobotische Steuerung die Behandlung präziser und minimalinvasiver machen“, fasst Hao zusammen.

Magnetfelder eignen sich besonders gut, um Stammzellen zu stimulieren, weil sie das Gewebe leicht durchdringen und sich Frequenz sowie Feldstärke flexibel an den jeweiligen Einsatz anpassen lassen. Nachdem die Vorläuferzellen stimuliert wurden und sich zu Nervenzellen entwickelt haben, verschmelzen die NPC-Bots im Wesentlichen mit dem Gewebe. Die Forschenden erwarten, dass die Nanopartikel dank ihrer Bariumtitanat-Beschichtung stabil und wenig reaktiv sind. Weitere Studien sollen klären, ob und wie die Partikel langfristig abgebaut oder ausgeschieden werden.

Idee lässt sich beliebig ausbauen

Den Forschenden zufolge sind die Resultate aus den Tierversuchen äußerst vielversprechend. Bis die NPC-Bots im Menschen angewendet werden können, wird es aber noch länger dauern. „Nebst vielen klinischen Aspekten müssen wir zuerst testen, welche Magnetfelder beim Menschen am besten funktionieren und wie lange die optimale Stimulationszeit ist“, erklärt Hao.

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 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 künftig sicherer, kontrollierbarer und wirksamer werden.