Bienen und Geckos als Vorbilder
Von Lutz Reidt · 16.02.2013
In Deutschland erleiden jedes Jahr zwischen 1.000 und 1.800 Menschen eine Querschnittlähmung, verursacht durch geschädigtes Rückenmark. Heilung ist so gut wie ausgeschlossen, doch ein in Hamburg entwickeltes System weckt neue Hoffnung - und ausgerechnet Bienen stehen dabei Pate.
Emsig sind sie, wenn sie im Frühjahr unermüdlich den gesammelten Pollen in ihren Stock tragen, wenn sie dort Honig einlagern und ihre Larven füttern: Die Honigbienen. Für ihren sprichwörtlichen Fleiß sind sie weithin bekannt. Neu ist jedoch, dass die Bienen auch als geniale Konstrukteure eine optimale Vorlage für die Medizintechnik liefern könnten.
Die charakteristische sechseckige Struktur der Wabenzellen im Bienenstock stand Pate für ein winziges Implantat, das in einigen Jahren helfen könnte, Verletzungen des Rückenmarks zu heilen. Diese Wabenstruktur bietet nämlich hohe Stabilität auf engstem Raum, damit durchtrennte Nervenstränge hindurch wachsen können und dabei optimal geschützt sind:
"Von da sind wir eben auf die Wabenstruktur gekommen, die den Vorteil hat, dass sie eine hohe mechanische Stabilität hat, und in der Tiefe hat sie eben eine sehr große Oberfläche, so dass wir das Hindernis für das Eindringen der Nerven sehr gering halten und gleichzeitig anschließend, wenn sie eingedrungen sind, dann das Gewebe in dem System sehr gut festhalten können."
Professor Jörg Müller hat an der Technischen Universität Hamburg-Harburg dieses Implantat fürs Rückenmark mit entwickelt. Milchig-weiß ist es, und kleiner als eine Cent-Münze. Mit Mühe zu erkennen sind in der Aufsicht die sechseckigen Waben. Das Implantat ähnelt einem Gitter mit wabenförmigen Röhren - jede Wabe, also jede Röhre ist gerade mal einen Millimeter lang und 0,3 Millimeter breit - das entspricht dem Durchmesser von drei Menschenhaaren. Durch diese winzigen Öffnungen müssen die Forscher nun das Rückenmark durchschleusen, damit sich die Nervenfasern miteinander verbinden können.
Dies gelingt mit Hilfe eines winzigen Schlauches am Implantat. Während der Operation wird über diesen Schlauch Luft abgesaugt, so dass ein Unterdruck im Implantat entsteht, der die zertrennten Nervenenden einsaugt und durch die wabenförmigen Röhrchen wieder zusammenführt. Das Implantat verkürzt also den Weg für die Nervenzellen auf der Suche nach dem Gegenüber. Den Rest erledigt "Mutter Natur", sagt der Ingenieur Christian Voss:
"Die Nerven selbst irgendwo richtig zu lenken, muss gar nicht passieren. Die Nerven finden ihren Weg schon selbst da hin, wo sie hinwollen. Das ist diese Plastizität des Rückenmarks und des Gehirns. Wenn die Nerven einmal wieder einen Kontakt auf der anderen Seite gefunden haben, dann überprüft das Gehirn, wo ist dieser Kontakt hingekommen und "lernt" sofort: Diese Nervenbahn ist für den Nerv zuständig. Da stellt sich das Gehirn dann um und lernt neu, mit welchem elektrischen Impuls es welche Anregung im entsprechenden Körperteil erreichen kann."
Über solche Schläuche lassen sich auch Medikamente ins Implantat schleusen, die eine Heilung forcieren. Voraussetzung für einen Operationserfolg ist aber, dass das Rückenmark mitsamt den Nervenfasern auch dann noch im Implantat verbleibt, sobald der Schlauch entfernt und folglich der Unterdruck abgebaut wird:
"Das Rückenmarkgewebe steht ein bisschen unter Spannung und würde wieder ´rausrutschen. Es würde sich im Prinzip wieder zurückziehen. Und genau diese zurückziehende Bewegung, die wollen wir verhindern. Das wird einfach nur festgehalten."
Festgehalten durch Adhäsion, also durch Anhaften. Auch hier findet die Medizintechnik ein Vorbild in der Natur, und zwar in Form der Adhäsionskraft von Lamellengeckos. Die können kopfüber an Glasscheiben entlang laufen - ohne Klebstoff, ohne Saugnäpfe, aber mit Hilfe vieler Milliarden feinster Härchen an der Unterseite ihrer Füße. Diese Haare entwickeln dann in der Summe eine immense Haftkraft.
Eine solche Adhäsion erzielt Christian Voss innerhalb des Implantats mit einer strukturreichen Berg- und Tal-Landschaft, die sich unter dem Mikroskop an den Innenseiten der Wabenwände offenbart:
"Die kleinsten Strukturen hier haben so die Größe von ein, zwei Mikrometer als Oberflächenrelief. Und man könnte wahrscheinlich auch noch tiefer reinzoomen und man würde dann noch unter einem Mikrometer Strukturen finden, die Oberfläche darstellen. Je tiefer man reinzoomt, desto mehr Oberfläche sieht man, weil man in weiterer Vergrößerung weitere Kleinstrukturen findet."
Und in diesen Strukturen finden Rückenmark und Nervenfasern Halt.
Dass nach wenigen Wochen die Lähmungserscheinungen nach und nach verschwinden, konnten Düsseldorfer Mediziner im Tierexperiment nachweisen. Professor Hoc Khiem Trieu, Leiter des Instituts für Mikrosystemtechnik der Technischen Universität Hamburg-Harburg, beeindruckte besonders ...
"... dass die Motorik von der Ratte - insbesondere die Hinterbeine - Werte erreichen können, die ohne ein solches Implantat überhaupt gar nicht erreichbar wären. Die können auf jeden Fall nach einigen Wochen dann die Hinterbeine kontrolliert wieder einsetzen; so dass das auch deutlich von spastischen Bewegungen schon zu unterscheiden ist."
Bislang haben sie ihre Erfolge einzig bei frischen Rückenmarksverletzungen erzielt. Nun wollen die Forscher testen, ob sie auch bei chronischen Fällen zum Ziel gelangen. Die Harburger Forscher möchten in rund zehn Jahren den Neurochirurgen ein ausgereiftes Implantat mit in den Operationssaal geben - verbunden mit der Hoffnung, dass Querschnittgelähmte dann nach und nach wieder ihre Beine bewegen können.
Die charakteristische sechseckige Struktur der Wabenzellen im Bienenstock stand Pate für ein winziges Implantat, das in einigen Jahren helfen könnte, Verletzungen des Rückenmarks zu heilen. Diese Wabenstruktur bietet nämlich hohe Stabilität auf engstem Raum, damit durchtrennte Nervenstränge hindurch wachsen können und dabei optimal geschützt sind:
"Von da sind wir eben auf die Wabenstruktur gekommen, die den Vorteil hat, dass sie eine hohe mechanische Stabilität hat, und in der Tiefe hat sie eben eine sehr große Oberfläche, so dass wir das Hindernis für das Eindringen der Nerven sehr gering halten und gleichzeitig anschließend, wenn sie eingedrungen sind, dann das Gewebe in dem System sehr gut festhalten können."
Professor Jörg Müller hat an der Technischen Universität Hamburg-Harburg dieses Implantat fürs Rückenmark mit entwickelt. Milchig-weiß ist es, und kleiner als eine Cent-Münze. Mit Mühe zu erkennen sind in der Aufsicht die sechseckigen Waben. Das Implantat ähnelt einem Gitter mit wabenförmigen Röhren - jede Wabe, also jede Röhre ist gerade mal einen Millimeter lang und 0,3 Millimeter breit - das entspricht dem Durchmesser von drei Menschenhaaren. Durch diese winzigen Öffnungen müssen die Forscher nun das Rückenmark durchschleusen, damit sich die Nervenfasern miteinander verbinden können.
Dies gelingt mit Hilfe eines winzigen Schlauches am Implantat. Während der Operation wird über diesen Schlauch Luft abgesaugt, so dass ein Unterdruck im Implantat entsteht, der die zertrennten Nervenenden einsaugt und durch die wabenförmigen Röhrchen wieder zusammenführt. Das Implantat verkürzt also den Weg für die Nervenzellen auf der Suche nach dem Gegenüber. Den Rest erledigt "Mutter Natur", sagt der Ingenieur Christian Voss:
"Die Nerven selbst irgendwo richtig zu lenken, muss gar nicht passieren. Die Nerven finden ihren Weg schon selbst da hin, wo sie hinwollen. Das ist diese Plastizität des Rückenmarks und des Gehirns. Wenn die Nerven einmal wieder einen Kontakt auf der anderen Seite gefunden haben, dann überprüft das Gehirn, wo ist dieser Kontakt hingekommen und "lernt" sofort: Diese Nervenbahn ist für den Nerv zuständig. Da stellt sich das Gehirn dann um und lernt neu, mit welchem elektrischen Impuls es welche Anregung im entsprechenden Körperteil erreichen kann."
Über solche Schläuche lassen sich auch Medikamente ins Implantat schleusen, die eine Heilung forcieren. Voraussetzung für einen Operationserfolg ist aber, dass das Rückenmark mitsamt den Nervenfasern auch dann noch im Implantat verbleibt, sobald der Schlauch entfernt und folglich der Unterdruck abgebaut wird:
"Das Rückenmarkgewebe steht ein bisschen unter Spannung und würde wieder ´rausrutschen. Es würde sich im Prinzip wieder zurückziehen. Und genau diese zurückziehende Bewegung, die wollen wir verhindern. Das wird einfach nur festgehalten."
Festgehalten durch Adhäsion, also durch Anhaften. Auch hier findet die Medizintechnik ein Vorbild in der Natur, und zwar in Form der Adhäsionskraft von Lamellengeckos. Die können kopfüber an Glasscheiben entlang laufen - ohne Klebstoff, ohne Saugnäpfe, aber mit Hilfe vieler Milliarden feinster Härchen an der Unterseite ihrer Füße. Diese Haare entwickeln dann in der Summe eine immense Haftkraft.
Eine solche Adhäsion erzielt Christian Voss innerhalb des Implantats mit einer strukturreichen Berg- und Tal-Landschaft, die sich unter dem Mikroskop an den Innenseiten der Wabenwände offenbart:
"Die kleinsten Strukturen hier haben so die Größe von ein, zwei Mikrometer als Oberflächenrelief. Und man könnte wahrscheinlich auch noch tiefer reinzoomen und man würde dann noch unter einem Mikrometer Strukturen finden, die Oberfläche darstellen. Je tiefer man reinzoomt, desto mehr Oberfläche sieht man, weil man in weiterer Vergrößerung weitere Kleinstrukturen findet."
Und in diesen Strukturen finden Rückenmark und Nervenfasern Halt.
Dass nach wenigen Wochen die Lähmungserscheinungen nach und nach verschwinden, konnten Düsseldorfer Mediziner im Tierexperiment nachweisen. Professor Hoc Khiem Trieu, Leiter des Instituts für Mikrosystemtechnik der Technischen Universität Hamburg-Harburg, beeindruckte besonders ...
"... dass die Motorik von der Ratte - insbesondere die Hinterbeine - Werte erreichen können, die ohne ein solches Implantat überhaupt gar nicht erreichbar wären. Die können auf jeden Fall nach einigen Wochen dann die Hinterbeine kontrolliert wieder einsetzen; so dass das auch deutlich von spastischen Bewegungen schon zu unterscheiden ist."
Bislang haben sie ihre Erfolge einzig bei frischen Rückenmarksverletzungen erzielt. Nun wollen die Forscher testen, ob sie auch bei chronischen Fällen zum Ziel gelangen. Die Harburger Forscher möchten in rund zehn Jahren den Neurochirurgen ein ausgereiftes Implantat mit in den Operationssaal geben - verbunden mit der Hoffnung, dass Querschnittgelähmte dann nach und nach wieder ihre Beine bewegen können.