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An der Schnittstelle zum Leben

Elektronik und Biologie sind zwei Fachgebiete, die nicht offensichtlich zusammenhängen. Während die Elektronik Transistoren und Chips entwickelt, beschäftigt sich die Biologie mit Zellen, Synapsen und Proteinen, also den Bausteinen von Leben. Doch beide haben eine entscheidende Gemeinsamkeit: Sowohl elektronische Schaltkreise als auch biologische Systeme nutzen elektrische Impulse zur Informationsverarbeitung. Dieser Umstand birgt ein großes Potential – nämlich Technologien zu entwickeln, die greifen, wenn sensorische Systeme beim Menschen ausfallen. Anwendungsfälle wären also beispielsweise künstliche Netzhäute – also Retinaimplantate – für Blinde, Hörimplantate oder Prothesen, die sich direkt durch das Nervensystem des Patienten steuern lassen. Ebenfalls denkbar wären Biochips, die anhand von Messdaten aus dem unmittelbaren Umfeld schnell und zuverlässig Spurenstoffe zum Beispiel in Luft oder Wasser detektieren.

Ein wichtiger Schritt dahin ist es, den Informationsfluss zwischen biologischen und elektronischen Systemen zu ermöglichen bzw. zu verbessern, also eine Brücke zwischen beiden Welten zu bauen, sprich zwischen Zelle und Chip. Bei der gegenwärtigen Forschung geht es dabei noch nicht um die Entwicklung hochkomplexer Anwendungen. Vielmehr gilt es, zunächst ein detailliertes Verständnis zu erlangen, wie Nervenzellen und Zellverbände überhaupt durch elektrische und biochemische Verbindungen miteinander kommunizieren, bevor künstliche elektronische Systeme dazu gebracht werden können, diese "Sprache" zu erlernen und im Sinne des Patienten "mitzureden".

Wie dies gehen kann erforschen Physiker, Chemiker, Biologen und Elektrotechnik-Ingenieure unter Leitung von Prof. Andreas Offenhäusser am Peter Grünberg Institut und am Institut für Komplexe Systeme im Bereich Bioelektronik (ICS-9 / PGI-9).

Den Nervenzellen zuhören

Bis zur nahtlosen Integration von Neuroprothesen ist es noch ein weiter Weg: Die auf zwischen 86 und 100 Milliarden geschätzten Nervenzellen im Gehirn, die ständig über elektrische und biochemische Verbindungen miteinander kommunizieren, stellen die Wissenschaftler vor große Herausforderungen. Unser Gehirn ist leistungsfähiger als jeder Supercomputer.

Für ihre Arbeit lassen die Forscher in ihren Biolaboren Neuronen auf winzigen elektronischen Bauelementen wachsen. Die Elektroden auf dem Chip messen die elektrischen oder biochemischen Signale der Zelle – je nach Versuchsaufbau – als Strom oder Spannung. Die abgeleiteten Signale geben den Wissenschaftlern Aufschluss über die Kommunikation der Zellen. Für unterschiedliche Fragestellungen stimulieren die Forscher auch die Nervenzellen und "hören" ihre Antworten ab. Dafür setzen sie elektrische, elektrochemische und optogenetische Methoden ein. Bei Letzteren steuern sie genetisch veränderte Zellen mit Licht.

Unterschiedliche Anordnungen und Materialien unter der Lupe

Je nach Anwendungsbedarf kommen unterschiedliche Arten von Chips und Materialien zum Einsatz: robuste Mikroelektrodenarrays ebenso wie deutlich empfindlichere Silizium-Nanodraht-Transistoren und Transistoren aus Graphen. Besonders Letzteres Material ist in jüngster Vergangenheit in den Blickpunkt der Wissenschaftler gerückt. Es ist vielversprechend, weil es hervorragende elektronische Eigenschaften bietet, chemisch stabil und zudem noch biologisch gut verträglich ist. Während starre Silizium-Implantate schnell das Gewebe verletzen oder vom Körper angegriffen und eingekapselt werden, sind die ultradünnen Graphen-Schichten biegsam und könnten sich als Seh-, Gehör- oder Gehirnimplantate bewähren.

Nach wie vor scheitern die heutigen Neuro-Prothesen daran, dass die Elektronik sich auf Dauer nicht gut mit den Nervenzellen verbinden lässt. Daher sind neue Materialien gefragt und Graphen könnte eines davon sein.

Auf den richtigen Kontakt kommt es an

Grundlage für alle Systeme ist ein möglichst optimaler Kontakt zwischen Nervenzelle und elektronischem Bauelement. Der Abstand zwischen beiden beeinflusst, wie viele Signale der Wissenschaftler überhaupt messen kann. "Schon der Abstand von einem zehntausendstel Millimeter reicht aus, und wir können kaum noch etwas messen", sagt Offenhäusser.

Damit die Nervenzelle möglichst dicht an die Elektrode kommt, haben die Jülicher Wissenschaftler ein international vielbeachtetes Design entwickelt, das sich die sogenannte Phagozytose zunutze macht, eine Eigenschaft, über die die meisten Zellen verfügen: Sie begegnen Fremdkörpern, indem sie diese umhüllen und aufnehmen. Offenhäussers Team hat nun Kügelchen auf einem Goldstiel als Nanoelektrode auf der Chipoberfläche befestigt. Indem die Nervenzelle versucht, diesen Nano-Pilzkopf vollständig zu umhüllen, rückt sie so dicht wie möglich an die Elektrode heran.

Um die Kommunikation zwischen Zelle und Chip zu verbessern, arbeiten die Forscher parallel daran, immer empfindlicher im Erfassen von Signalen und im Stimulieren zu werden. "Dafür brauchen wir neue mikroelektronische Bauelemente, die noch sensitiver sind – das ist ein Hauptteil unserer Arbeit", sagt Offenhäusser.

Von der Zelle zum Netzwerk

Langfristig möchten die Wissenschaftler einzelne Nervenzellen auf Chips miteinander verschalten und so eigene Nervennetzwerke entwerfen und kontrollieren. Dadurch möchten sie lernen, die "Sprache" der Neuronen gezielt anzuwenden – ein wichtiger Schritt auf dem Wege zum Implantat. Doch soweit ist die Forschung noch nicht. Was indes schon funktioniert: Die Wissenschaftler kreieren eine Population von 20 bis 30 Nervenzellen, bei der sie zwar keine Kontrolle über die Signalübertragung innerhalb des Netzwerkes haben, aber gezielt eine neuronale Verbindung zu einer zweiten Population schaffen können: "Wir verfolgen also die Kommunikation zweier Nervenzellpopulationen, ähnlich wie es einzelne Regionen im Gehirn tun", sagt Offenhäusser.

Botenstoffe geben Aufschluss über Krankheiten

Nicht nur für die Kompensation sensorischer Defizite wie im Bereich des Sehens oder Hörens ist die Grundlagenforschung der Bioelektronik relevant – auch für das Verständnis und die Therapie von Krankheiten wie Parkinson könnte die Bioelektronik wertvolle Impulse liefern.

Dr. Bernhard Wolfrum leitet am Forschungszentrum die Arbeitsgruppe "Nanotechnology Tools for Cell-Chip Communication". Diese erforscht die elektrochemische Erfassung von Botenstoffen wie Dopamin. Bei der Parkinson-Krankheit sterben im Gehirn zumeist jene Nervenzellen ab, die Dopamin herstellen. Wolfrum und sein Team untersuchen die Dopaminausschüttung in künstlichen Nervennetzwerken. Ziel ist es, eine sogenannte Lab-on-Chip-Plattform für Parkinson zu bauen, auf der die Forscher auf einem einzigen Mikrochip die Netzwerk-Pfade so nachbilden, wie sie im Gehirn vorkommen. Sie können so die chemische Kommunikation beobachten und die "Unterhaltung" beeinflussen: "Indem wir beispielsweise Proteine dazugeben, die mit der Nervenkrankheit in Verbindung gebracht werden, könnten wir messen, wie die Zelle reagiert und Rückschlüsse auf die Ursachen der Krankheit ziehen", erklärt der Physiker. Auch mögliche Wirkstoffe im Kampf gegen Parkinson sollen über das elektrochemische System getestet werden.

Zusatzinformationen

Resonator - Bild: Der Resonator von Holger Klein/Helmholtz-Gemeinschaft (CC-BY-3.0: https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/deed.de)

Podcast: Bioelektronik

Über seinen Forschungsschwerpunkt, die Bioelektronik, spricht Prof. Andreas Offenhäusser im Wissenschafts­podcast "Der Resonator" der Helmholtz-Gemeinschaft. Holger Klein hat den Leiter dieses Jülicher Institutsbereichs (PGI-8 / ICS-8) interviewt.
(1 Stunde 07 Minuten)


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