Bioelektrische Schnittstellen: "Die Form der Elektrode spielt eine große und wichtige Rolle"

Interview mit Prof. Andreas Offenhäusser, Institute of Complex Systems and Peter Grünberg Institute, Bioelectronics, Forschungszentrum Jülich

Wissen, was die Welt im Innersten zusammenhält – diesen Wunsch verfolgt in gewisser Weise auch die Medizin, wenn sie immer genauer messen will, was in unseren Körpern passiert. Eine große Rolle dabei können zukünftig bioelektrische Schnittstellen spielen, deren Elektroden mit einzelnen Zellen kommunizieren können.

03.11.2014

Foto: Prof. Andreas Offenhäusser

Prof. Andreas Offenhäusser; ©Ralf-Uwe Limbach/ Forschungszentrum Jülich

Auf COMPAMED.de spricht Prof. Andreas Offenhäusser über Elektroden mit einer ganz speziellen Form: Als Pilze in Nanometergröße lassen sie sich von Zellen „verschlucken“ und können so elektrische und elektrochemische Zellsignale messen. Auf dieser Grundlage könnten neue, genauere Implantate entstehen.

Herr Prof. Offenhäusser, Sie erforschen Elektroden in Nanometergröße, die Zellsignale messen sollen. Wo könnte man diese Elektroden einsetzen?

Andreas Offenhäusser: Es gibt verschiedene Anwendungsbereiche. Möglich ist die Anwendung zum Beispiel bei Cochlea-Implantaten, Retina-Implantaten oder bei der Tiefenhirnstimulation, wo man zwischen Elektronik und Gehirn Informationen austauschen möchte. Man könnte damit zum Beispiel ein Implantat bauen, das bessere Signale übermittelt als alle, die heute auf dem Markt sind – wenn sie überhaupt schon auf dem Markt sind.

Auf der anderen Seite bauen wir auch eine Plattform auf, um In-vitro-Testsysteme zu entwickeln. Diese könnten wir einsetzen, um Krankheitsentwicklungen an Zellen zu simulieren und nachzuvollziehen. Drittens könnte man die neuronale Signalverarbeitung studieren, um mit diesem Wissen künftig Chips zu entwickeln.

Wie kann man sich eine bioelektrische Schnittstelle vorstellen?

Offenhäusser: Auf der einen Seite befindet sich die Biologie, die Nervenzelle, die in der Regel sehr engen Kontakt mit der Elektrode hat. Diese besteht im Moment aus Silizium, Gold, Platin oder anderen Metallen, die für die Zelle unproblematisch sind. Hier dürfen wir keine Materialien verwenden, die zu einer Vergiftung der Zelle führen oder eine Abwehrreaktion verursachen. Deshalb muss ein späteres System, das wir aus dieser Technologie entwickeln, auch eine Oberflächenbeschichtung haben, die die negativen Zellreaktionen verhindert.

Der Zwischenraum von Nervenzelle und Elektrode ist mit einer Elektrolytflüssigkeit gefüllt, da sich die Zelle in diesem Medium befindet. Zwischen der Zellmembran und der Oberfläche der Elektrode werden sich vermutlich auch Biopolymere einlagern, die die Zelle ausscheidet und mit denen sie sich umgibt.
Foto: Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer Elektrode

Von der Zellmembran umhüllte Elektroden unter dem Rasterelektronenmikroskop; ©Forschungszentrem Jülich

Sie haben sich in Ihrer Forschung auch mit der Form der Elektrode beschäftigt. Wie beeinflusst sie das Verhalten der Zelle?

Offenhäusser: Die Form der Elektrode spielt eine große und wichtige Rolle. Die einfachste Form, mit der wir uns beschäftigen, ist die planare Elektrode, wie sie auf einem Chip vorkommt. Dort nehmen Zellen eine relativ flache Form an. Signale werden entweder elektrochemisch oder elektrisch zwischen Zelle und Elektrode ausgetauscht.

Wir arbeiten jetzt daran, diesen Elektroden eine dreidimensionale Struktur zu verleihen, damit die Zellen besser mit ihnen interagieren. Als optimale Form hat sich eine Art Pilzstruktur erwiesen: ein Stiel mit einer breiten, schirmförmigen Kappe, die die Zelle in sich aufnehmen und regelrecht verschlucken will. Den Stiel, der fest mit dem Untergrund verbunden ist, kann sie aber nicht verschlucken, sondern nur umhüllen. Auf diese Weise nimmt sie einen sehr guten Kontakt mit der Elektrode auf.

Und warum wirkt gerade diese Form so?

Offenhäusser: Sie spricht im Prinzip eine natürliche Reaktion der Zellen auf Fremdkörper an, die Phagozytose. Das bedeutet, dass Zellen zum Beispiel kleine oder Nanopartikel aufnehmen, wenn sie damit in Kontakt kommen.

In früheren Versuchen haben wir schon mit anderen dreidimensionalen Strukturen experimentiert, dabei aber die falschen Dimensionen gewählt und die Zelle falsch eingeschätzt. Zu kleine oder zu enge Strukturen hat die Zelle nicht umhüllen können. Erst in letzter Zeit konnten wir die beste Form herausfinden und zeigen, dass es mit der Pilzform fast zu einer optimalen Konfiguration zwischen Zelle und Elektrode kommt. Im Rasterelektronenmikroskop haben wir Querschnitte der Zellen auf den Strukturen betrachtet und konnten sehr genau sehen, wie eng die Zellen an den Elektroden anliegen.

Foto: Computermodell der möglichen Elektroden

Jülicher Wissenschaftler haben in theoretischen Modellen verschiedene Formen von 3D-Nanoelektroden daraufhin untersucht, wie gut sich biologische Zellen an ihnen anlagern; ©Forschungszentrum Jülich

Welche Zellsignale können Sie damit messen?

Offenhäusser: Wir messen elektrische Zellsignale. Wenn ein Aktionspotenzial von der Zelle erzeugt wird, öffnen sich Ionenkanäle und Ströme fließen über die Zellmembran, die wir messen können. Wir sehen dann eine Veränderung im Oberflächenpotenzial der Elektroden. Ströme können auch entstehen, wenn Neurotransmitter der Zelle auf der Oberfläche der Elektrode reagieren. Diese können wir nachweisen, wenn sie elektrochemisch aktiv sind und wir eine Spannung an die Elektrode anlegen.

Wie sähe ein konkretes Interface aus, auch hinsichtlich der Größenverhältnisse?

Offenhäusser: Um Signale von einer Zelle abzuleiten, sollte die Elektrode etwas kleiner sein als der Zellkörper der Nervenzelle. Dann könnte sie die ganze Elektrode bequem abdecken. Um Signale in den Neuriten, den Zellausläufern, zu messen, braucht man eine sehr viel kleinere Struktur. Da stoßen wir mit Metallelektroden an unsere Grenzen und müssen zu nanoelektrischen Bauelementen übergehen.

Solche Größen stellen wir in herkömmlichen Reinräumen her, wie sie auch für den Bau von Transistoren für Computer oder Smartphones genutzt werden. Wir müssen unsere Chips lediglich so anpassen, dass sie in einer Salzlösung überleben. Das ist die Herausforderung unserer Entwicklung, ansonsten bauen wir auf der klassischen Halbleitertechnologie auf.

Ihre Einschätzung: Welchen Stellenwert haben bioelektrische Schnittstellen heute und zukünftig?

Offenhäusser: Heute sind sie bereits sehr wichtig im Bereich der Implantate. Das Cochlea-Implantat ist ein Erfolgsmodell und ich denke, auch Retina-Implantate werden über kurz oder lang zu einem erfolgreichen System werden. Mit Blick auf die Tiefenhirnstimulation werden sie auch immer bedeutsamer werden, denn wir leben in einer alternden Gesellschaft.

Foto: Timo Roth; Copyright: B. Frommann

© B. Frommann

Das Interview wurde geführt von Timo Roth.
COMPAMED.de