Methodenentwicklung zur Herstellung anti-proliferativ und neurotroph wirkender Nanopartikel
SFB / Transregio 37   Teilprojekt C4
Projektleiter: Prof. Dr. Timo Stöver, Dr.-Ing. Dipl. Chem. Stephan Barcikowski (LZH),
Prof. Dr.-Ing. Klaus-Peter Schmitz (Uni Rostock)
Mitarbeiter HNO: Dr. Gerrit Paasche, Dr. Priya Gomes, Nurdanat Berkingali
Projektpartner: HNO-MHH; LZH, Uni Rostock
Förderung: DFG TR 37 TP C4

Ziel dieses Teilprojektes ist es, eine Methode zur Realisierung von Innenohr-Implantaten auf Basis von anti-proliferativ und zugleich neurotroph wirkenden, polymerbeschichteten Nano­partikel-Silikonkompositen zu entwickeln. Als Applikationsmodell wird die Cochlea-Implantat-Elektrode herangezogen, in welcher eine Metallionenfreisetzung aus dem Nanopartikelkomposit mit Polymer- bzw Hydrogel-basierten Substanzfreisetzungen kombiniert wird.

Cochlea-Implant-(CI)-Systeme stellen heute das Standardverfahren dar, um bei ertaubten Menschen die Hörfunktion wieder herzustellen. Obwohl diese Methode sehr erfolgreich ist, stellen das ungewollte Bindegewebswachstum auf der Elektrodenoberfläche und die Degeneration des Hörnerves infolge Ertaubung ein ungelöstes Problem dar, das zu einer Funktionseinschränkung des CI führt. Die Methodenentwicklung einer auf das Innenohr begrenzten Pharmakotherapie mit anti-proliferativen und neurotrophen Wirkstoffen stellt daher das zentrale Ziel dieses Teilprojektes dar. Umgesetzt wird dieser Arbeitsansatz durch eine polymerbasierte Substanzfreisetzung sowie unter Zuhilfenahme von Metall­ionen­freisetzungen (Nanopartikel) aus dem Silikonelastomer des Elektrodenträgers.
Tierexperimentelle Ergebnisse weisen darauf hin, dass auch die einer Cochlea-Implantation nachfolgende Bindegewebsneubildung im Bereich des Innenohres durch eine lokale Applikation von z.B. Corticosteroiden reduziert werden kann. Dieser Vorgang ist besonders für die Erhaltung des Resthörvermögens von Patienten mit CI von großer Bedeutung. Die Voraussetzung für eine klinische Anwendbarkeit dieser Therapiekonzepte ist die technische Realisierung von CI-Elektroden als local-drug-delivery-System. Insbesondere für das Innenohr bietet die Funktionalisierung von CI-Elektroden durch eine degradable Polymerbeschichtung eine vielversprechende Perspektive zur lokalen Pharmakafreisetzung. Die Neuentwicklung der Methodik zur Realisierung dieses Ansatzes stellt somit den zentralen Gegenstand dieses Teilprojektes dar. Es sollen daher CI-materialen und CI-Elektroden aus Nanopartikel-Silikonkompositen bzw. biodegradablen Polymeren zur Freisetzung von Metallionen (Silber, Kupfer sowie Magnesium, Titan) bzw. Pharmaka (Corticosteroide, Neurotrophine, Immunsuppressiva) entwickelt werden. Darüber hinaus soll eine Hydrogelschicht als Modulator eingesetzt werden, um die Freisetzungskinetik der Wirkstoffe zu beeinflussen. Ziel der Untersuchungen ist, neben der Werkstoffentwicklung der Nanopartikel-Silikonkomposite und des Polymerträgers, die Untersuchung der Schichtstabilität der aufgebrachten Polymere und der Freisetzungskinetiken der Wirkstoffe. Weiterhin sollen in Zellkulturuntersuchungen toxische Effekte quantifiziert werden. Die erwartete anti-proliferative Wirkung der Metallionen wird ebenfalls zunächst in einem Zellkultur-Assay quantifiziert, bevor eine Testung im Tierversuch erfolgt. Ebenso werden die erwarteten neurotrophen Effekte auf die Nervenzellen des Innenohres zunächst in einem Zellkulturversuch erfasst, bevor eine Übertragung der Ergebnisse in den Tierversuch erfolgt. Ziel ist hierbei die Untersuchung der reduzierten Neubildung von Bindegewebe um den inserierten Elekrodenträger. Dieses wird durch die Anfertigung von Gewebeschliffen erfasst, die eine quantitative Beurteilung der Gewebereaktion, und damit der Anzahl der Bindegewebszellen um den Elektrodenträger in der Cochlea (bei noch in der Cochlea liegender Elektrode) erlaubt. Weiterhin ermöglicht diese Methode die quantitative Bestimmung der Anzahl der Spiralganglienzellen sowie eine vergleichende Quantifizierung der neurotrophen Effekte durch die Freisetzung definierter Wirkstoffe (z.B. Pharmaka oder Mg-Metallionen). Die Funktionalisierung des Elektrodenträgers mit eingebetteten Nanopartikeln in Kombination mit einer wirkstoffbeladenen Polymerbeschichtung stellt damit eine Neuentwicklung dar, die eine weit über den Bereich der Beispielanwendung hinaus reichende Auswirkung auf die Entwicklung aktiver Implantate haben wird.

Veröffentlichungen aus dem Projekt:
Tagungsbeiträge (HNO):
DGBM 2007 Hannover: Nanopartikel-Silikonkomposite zur Funktionalisierung von Cochlea-Implantat-Materialien; T. Stöver, A. Hahn, U. Reich, D. Przygodzka, G. Paasche, T. Lenarz, S. Barcikowski

DGA 2008 Kiel: Funktionalisierte Cochlea Implantat Elektrodenmaterialien: Antiproliferative und trophische Effekte metallischer Ionen; Stöver, T., Braun, M., Gomes, P., Lenarz, T., Barcikowski, S., Paasche, G.

Forschungsgruppe Laser

Die Forschungsgruppe Laser der Experimentellen Otologie hat zum Ziel, neue Therapiemöglichkeiten unter Zuhilfenahme von Laserlicht zu entwickeln; dieses Vorhaben schließt Grundlagenuntersuchungen an lebenden und toten Geweben und technische Entwicklungen im Hard- und Softwarebereich mit ein. Z. Zt. werden in Kooperation mit dem Laserzentrum Hannover und der Fachhochschule Hannover, Fachbereich Industriedesign zwei Projekte vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert:

Intelligenter Festkörperlaser für die Mikrochirurgie und Tumorbehandlung

Dieses Projekt stellt die Grundlagen für ein Lasertherapiesystem bereit, mit dem ohne Schädigung des Erregungsleitungssystems Tumorgewebe von Nerven abgetrennt werden kann; in der konventionellen Chirurgie führen die hierbei auftretenden mechanischen Belastungen häufig zu einer postoperativen Funktionseinschränkung des Nerven. Ein berührungsfrei arbeitender Er:YAG-Laser mit minimalem thermischen Schädigungspotential schien als alternatives Therapiegerät hierzu grundsätzlich geeignet. Da der Abtragsprozeß sich aufgrund der notwendigen Präzision der direkten Kontrolle durch den Operateur entzieht, mußte der Laser in einen Regelkreis eingebunden werden, innerhalb dessen kritische Situationen erkannt und geeignet bewältigt werden.

Peripher ableitbare neuromuskuläre Signale (Summenaktionspotentiale = SAPs) werden zur funktionellen Überwachung des potentiell gefährdeten Nerven (Neuromonitoring) herangezogen. Die schmale Wechselwirkungszone zwischen Weichgewebe und 3µm-Strahlung führt zu einer relativ geringen und örtlich diskret auftretenden Nervenreizung. Voraussetzung einer zuverlässigen Detektion solch minimaler Reize ist daher eine möglichst hohe Sensitivität und Störunterdrückung der gesamten elektrophysiologischen Meßkette und weiterhin die flächendeckende Überwachung der Zielmuskulatur. Bei jedem einzelnen Laserpuls wird geprüft, ob korrelierte SAPs auftreten. Ist dies innerhalb des relevanten Zeitfensters der Fall, werden keine weiteren Laserpulse ausgelöst.

Das beschriebene System wurde auf PC-Plattform unter LABVIEW® zu einem Funktionsmuster integriert und in vivo am Kaninchen (extrakranieller Abschnitt des N. facialis) erprobt. Hiermit wurden erstmals Lasereingriffe direkt am Nerven vorgenommen, die eine schonende und gewebe-differenzierende Präparation an Nervengewebe auch für die humanmedizinische Anwendung in Aussicht stellen. Postoperative Kontrollen ergaben keinerlei funktionelle Einschränkungen des behandelten Nerven.
Das System ist zum Patent angemeldet.

Einsatz der Femtosekunden-Technologie in der Ohrchirurgie


Durch den Einsatz von Lasern mit ultrakurzen Pulsen von ca. 0,00000000000001s Dauer lassen sich extrem präzise Schnitte oder Bohrungen erzeugen. Mit jedem Puls werden lediglich Materialschichten von wenigen Nanometern Dicke abgetragen. Durch die exakt steuerbare Energiedeposition ist eine äußerst genaue und reproduzierbare Schnittführung möglich; mehr noch: in Hartgeweben können sogar dreidimensionale Oberflächen strukturiert werden. Es konnte gezeigt werden, dass nur minimale (<1µm) thermische Effekte am Knochen zu beobachten sind. Damit scheint diese Technologie sehr geeignet für Eingriffe im Mittelohr, beispielsweise bei der Stapedotomie oder Ossikuloplastik. Die Projektgruppe „Femtosekunden“ hat zum Ziel, die noch junge Technologie in Hinblick auf Applikationen in der Hals-Nasen-Ohrenheilkunde zu entwickeln.

Technischer Hintergrund:
Wenn Laserlicht auf eine ausreichend hohe Intensität fokussiert wird, kommt es zur Photodisruption. Dabei wird das bestrahlte Material ionisiert und explosionsartig abgetragen. Durch diesen Prozess treten Nebenwirkungen wie Stoßwellenformation und Kavitatiosblasen auf. Da zur Überschreitung der Schwellintensität die benötigte Pulsenergie bei Femtosekundenpulsen sehr gering ist (µJ), sind folglich die mechanischen Nebenwirkungen entsprechend klein.

In jüngster Vergangenheit konnte eine Reihe von pharmakologischen Substanzen identifiziert werden, die als sog. „Survival-Faktoren“ auf Spiralganglienzellpopulationen wirken. Diese auch als Neurotrophine bezeichneten Substanzen bieten ein erhebliches Potential im Hinblick auf die lokale Freisetzung dieser Faktoren im Innenohr und die daraus resultierende Erhöhung der Spiralganglienzelldichte sowie der elektrophysiologischen Nutzbarkeit durch Cochlea-Implantate. Einer der derzeit bestuntersuchtesten neurotrophen Faktoren ist GDNF („glial cell line-derived neurotrophic factor“), der ursprünglich aus den dopaminergen Zellen des Hirnstamms isoliert wurde. Dieser Faktor weist starke protektive Eigenschaften gegenüber Spiralganglienzellen hinsichtlich deren Schutz vor Degeneration infolge von Ertaubung durch Haarzellverlust auf. Darüber hinaus besitzt dieser Faktor ebenfalls protektive Wirkung auf Haarzellen gegenüber den ototoxischen Effekten von Aminoglykosiden, aber auch gegenüber Lärmexposition. Die Erarbeitung der molekularen Grundlagen der Wirkweise dieses neurotrophen Faktors wie auch die tierexperimentelle Etablierung der Effektivitätsuntersuchung einer Kombination einer elektrischen Stimulation der Spiralganglienzellen mit gleichzeitiger Gabe von GDNF stellt den experimentellen Schwerpunkt der durch die Europäische Union geförderten Maßnahmen innerhalb der HNO-Klinik der MHH dar.

Die molekularbiologischen Untersuchungen beziehen sich zunächst auf die Charakterisierung der infolge einer experimentellen Ertaubung am Beispiel der Ratte induzierten Veränderungen der Genexpression. Hierbei sind insbesondere die Effekte auf die bisher beschriebenen neurotrophen Faktoren bzw. deren Rezeptoren von großem Interesse, da über diese Arbeiten wertvolle Hinweise erlangt werden hinsichtlich möglicher weiterer Kandidaten einer lokalen Innenohrtherapie oder möglicher Kombinationen mehrerer Faktoren zu diesem Zweck. Experimentell stützen sich diese Arbeiten auf Untersuchungen mit Hilfe von Gene Arrays, RT-PCR und immunhistochemischen Experimenten. Die bisherigen Ergebnisse zeigen eine Vielzahl bislang für das Innenohr unbekannter Gene bzw. deren Regulation infolge Ertaubung. Die diesbezüglichen Ergebnisse sind international publiziert (Cho et al., 2002) und auf internationalen Kongressen vorgestellt worden.


Gen-Array Untersuchungen an Colliculus inferior (IC), Modiulus (Mod) und Sensorineuralem Epithel / Lateraler Wand der Cochlea (SnE/Lw) von Ratten. Pfeil 1: Glutamyl Aminopeptidase (steuert Renin-Angiotensin-System im ZNS und möglicherweise auch in der Stria vascularis. Pfeil 2: Myelin P0 / Pfeil 3: Peripheres Myelin Protein 22; bekannte Expression im peripheren Nervensystem (kein Nachweis in IC), klinische Bedeutung für das Charcot-Marie-Tooth-Syndrom (motorische Deg. und Hörminderung) bekannt.

Ein weiterer Arbeitsschwerpunkt der durch die Europäische Union geförderten Forschungsarbeiten richtet sich auf die Identifizierung der durch die einsetzende elektrische Stimulation induzierten Genexpression. Hier ist von besonderer Bedeutung, daß die elektrische Stimulation ebenfalls als ein protektiver Faktor gegenüber der infolge Ertaubung einsetzenden Spiralgangliendegeneration wirkt. Die diesem Effekt zugrunde liegenden Mechanismen sind bislang völlig ungeklärt, so daß der weiterführenden Untersuchung dieses Effektes eine zentrale Rolle in der Erhöhung der Effektivität der cochleären Wirkung zukommt. Darüber hinaus werden Hypothesen überprüft, die propagieren, daß die elektrische Stimulation vermittelt durch das Cochlea-Implantat über den Zwischenschritt einer Freisetzung von Neurotrophinen indirekt eine Protektion der Spiralganglienzellen verursacht. Ein diesbezüglicher Synergieeffekt wäre insbesondere für die zukünftig angestrebte Kombination aus elektrischer Stimulation durch ein Cochlea-Implantat bei gleichzeitiger lokaler Gabe von neurotrophen Faktoren von herausragender Bedeutung.

Ein dritter Arbeitsbereich der durch die Europäischen Union geförderten Maßnahmen umfaßt die tierexperimentelle Evaluation optimaler Konzentrationsbedingungen sowie optimaler Stimulationsparameter zur Sicherstellung einer maximal möglichen Spiralganglienzellpopulation. In diesem Zusammenhang wird ebenfalls die Betrachtung der durch die Neurotrophinwirkung induzierten Regeneration bzw. das erneute Aussprossen der Spiralganglienzelldendriten untersucht. Die aussprossenden Dendriten stellen ein hervorragendes Instrument zu einer möglicherweise gezielten Kontaktierung der Elektrodenträgeroberfläche dar, so daß hier ein nahezu ideales Nerven-Elektroden-Interface generiert werden kann. Die grundsätzliche Kombinierbarkeit der elektrischen Stimulation mit der gleichzeitigen Gabe von Nervenwachstumsfaktoren konnte am Beispiel von GDNF belegt werden und wurde ebenfalls international publiziert (Kanzaki et al., 2002).

Das dem Projekt übergeordnete Ziel besteht in der Herstellung und Anwendung einer neuen Cochlea-Implantat-Generation, die durch die Kombination einer elektrischen Stimulation bei gleichzeitiger Freisetzung von neurotrophen Faktoren die Effektivität der bisherigen Cochlea-Implantate erheblich steigert. Hierzu wird mit dem industriellen Partner des EU-Projektes (Med-El) ein humanes Implantat entwickelt, für das die klinische Zulassung angestrebt wird. Integraler Bestandteil des neuen Implantatsystems wird ein Elektrodenpumpenmechanismus sein, der die kontrollierte Freisetzung von neurotrophen Faktoren auch über einen längeren Zeitraum ermöglicht, ohne die elektrischen Stimulationseigenschaften des Implantates zu beeinflussen.

Zusammenfassend sollen noch einmal die herausragenden Ziele des EU-BioEar-Projektes aufgelistet werden:

1. Identifikation der infolge Ertaubung und einsetzender elektrischer Stimulation regulierten Gene der Spiralganglienzellen
2. Identifikation der infolge Ertaubung und einsetzender elektrischer Stimulation regulierten neurotrophen Faktoren sowie deren Rezeptoren
3. Erarbeitung der optimalen Konzentration von GDNF in Kombination mit elektrischer Stimulation zur Induktion des Spiralganglienzell-Survivals, Auswachsen von Spiralganglienzelldendriten
4. Entwicklung eines Tier- und humanen Cochlea-Implantates mit gleichzeitiger Applikationsmöglichkeit von neurotrophen Faktoren
5. Durchführung der Humanimplantation nach Erlangung der notwendigen ethischen und technischen Voraussetzungen

Weitergehende Informationen:
http://www.uta.fi/projektit/eubioear

2) Nervenelektrodenschnittstelle (Teilprojekt D2) Sonderforschungsbereich 599
(Biomedizintechnik)
Das Ziel des von der DFG geförderten Forschungsvorhabens ist die Schaffung einer dauerstabilen Elektrodennervenschnittstelle. In enger Kooperation mit dem Laserzentrum Hannover richtet sich die von unserer Arbeitsgruppe aufgegriffene Zielsetzung auf die Oberflächenmodifikation von Cochlear-Implant-Elektroden hinsichtlich der direkten Kontaktierung von Nervenfasern. Hierzu werden sowohl in vitro als auch in vivo Versuche durchgeführt. Diese Versuche haben zum Ziel, lasermodifizierte Elektrodenträger hinsichtlich ihrer biologischen Eigenschaften und ihrer Kanaltrennungseigenschaften zu charakterisieren und zu optimieren.

3) Molekulargenetische Untersuchungen
Genetische Ursachen als Auslöser von hochgradigen Hörminderungen bzw. Ertaubungen haben durch vielfältige Forschung innerhalb der letzten Jahre deutlich an Bedeutung zugenommen. Im Rahmen eines Forschungsprojektes wird das Vorhandensein einer Punktmutation bei höchstgradig hörbehinderten Patienten untersucht (35delG-Mutation im Connex-26 Gen). Im Rahmen eines weitergehenden Forschungsprojektes werden weitere Mutationen als taubheitsbedingende Auslöser charakterisiert.

4) Mitarbeiter im Labor:
Dr. Kirsten Wissel, Chemikerin
Heike Rieger, Tiermedizinerin
Patrick Wefstedt, Tiermedizinerin
Dr. Thomas Averbeck, HNO-Arzt
Athanasia Warnecke, HNO-Ärztin
Peter Erfurt, MTA

Publikationen:
Kempf HG, Büchner A, Stöver T. Cochlea Implantat bei Erwachsenen: Indikation und Durchführung. Teil II: Spezielle Aspekte und Technik der Implantatsysteme. HNO. 2003 Aug;51(8):663-75.

Kempf HG, Büchner A, Stöver T. Cochlea Implantat bei Erwachsenen: Indikation und Durchführung. Teil I: Diagnostik, Operationsverfahren und Ergebnisse. HNO. 2003 Jul;51(7):591-602.

Leinung M, Averbeck T, Stöver T. Der interessante Fall Nr. 57: Lemierre-syndrome nach oropharyngealer Infektion. Laryngorhinootologie. 2003 Aug;82(8):578-80.

Kawamoto K, Yagi M, Stöver T, Kanzaki S, Raphael Y. Hearing and hair cells are protected by adenoviral gene therapy with TGF-beta1 and GDNF. Mol Ther. 2003 Apr;7(4):484-92.

Ishimoto S, Kawamoto K, Stöver T, Kanzaki S, Yamasoba T, Raphael Y. A glucocorticoid reduces adverse effects of adenovirus vectors in the cochlea. udiol Neurootol. 2003 Mar-Apr;8(2):70-9.

Paasche G, Gibson P, Averbeck T, Becker H, Lenarz T, Stöver T. Technical report: modification of a cochlear implant electrode for drug delivery to the inner ear. Otol Neurotol. 2003 Mar;24(2):222-7.

Stöver T. Gene expression, gene regulation and gene transfer in the inner ear Laryngorhinootologie. 2003 Jan;82(1):40-1.

Kanzaki S, Stöver T, Kawamoto K, Prieskorn DM, Altschuler RA, Miller JM, Raphael Y. Glial cell line-derived neurotrophic factor and chronic electrical stimulation prevent VIII cranial nerve degeneration following denervation. J Comp Neurol. 2002 Dec 16;454(3):350-60.

Watabe-Rudolph M, Rudolph KL, Averbeck T, Buhr T, Lenarz T, Stöver T. Telomerase activity, telomere length, and apoptosis: a comparison between acquired cholesteatoma and squamous cell carcinoma. Otol Neurotol. 2002 Sep;23(5):793-8.

Averbeck T, Hemmanouil I, Bredt M, Stöver T (2002). Therapierefraktäre Halsschmerzen. HNO 50: 946-947.

Kanzaki S, Kawamoto K, Oh SH, Stöver T, Suzuki M, Ishimoto S, Yagi M, Miller JM, Lomax MI, Raphael Y. From gene identification to gene therapy. Audiol Neurootol. 2002 May-Jun;7(3):161-4.

Kawamoto K, Kanzaki S, Yagi M, Stöver T, Prieskorn DM, Dolan DF, Miller JM, Raphael Y. Gene-based therapy for inner ear disease. Noise Health. 2001;3(11):37-47.

Cho Y, Gong T-W, Stöver T, Lomax MI, Altschuler RA (2001). Gene Expression Profiles of the Rat Cochlea, Cochlear Nucleus, and Inferior Colliculus. Journal of the Association for Research in Otolaryngology 3:54-67.

Stöver T, Kawamato K, Kanzaki S, Raphael Y (2001). Untersuchungen zur Durchführbarkeit eines Innenohr-Gentransfers nach Mittelohrapplikation eines adenoviralen Vektors. Laryngo-Rhino-Otologie 80:431-5.

Stöver T, Nam YJ, Hartman S, Gong TW, Lomax MI, Altschuler RA (2001). Glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF) and its receptor complex are expressed in mature rat cochlea. Hearing Research 155:143-51.

Stöver T, Yagi M, Raphael Y (2000). Transduction of the contralateral ear after adenoviral-mediated cochlear gene transfer. Gene Therapy 7:377-383.

Stöver T, Gong TW, Cho Y, Altschuler RA, Lomax MI (2000). Expression of the GDNF family members and their receptors in the mature rat cochlea. Molecular Brain Research 76:25-35.

Nam YJ, Stöver T, Hartman S, Altschuler RA (2000). Upregulation of glial cell-line derived neurotrophic factor (GDNF) in the rat cochlea following noise, Hearing Research 146:1-6.

Kempf HG, Stöver T, Lenarz T (2000). Mastoiditis and acute otitis media in children with cochlear implants: recommendations for medical management. Annals of Otology, Rhinology and Laryngology 185:25-7.

Plechata B, Kempf HG, Stöver T (1999). Der interessante Fall Nr. 24. Fokales, wenig differenziertes Adenokarzinom in einem pleomorphen Adenom der Glandula parotidea. Laryngo-Rhino-Otologie 78:290-2.

Stöver T, Yagi M, Raphael Y (1999). Cochlear Gene Transfer: Round window versus cochleostomy inoculation. Hearing Research 136:124-30.

Issing PR, Stöver T (1999). Halsschmerzen nach Holzhacken. HNO 47:1072-1073.

Hemmanouil I, Stöver T, Schwab B (1999). Der interessante Fall Nr. 28. Orbitale Metastasierung des bekannten Mammakarzinoms. Laryngo-Rhino-Otologie 78:525-6.

Issing PR, Stöver T, Kempf HG, Heermann R, Lenarz T (1999). Sonographische Diagnostik von Hypernephrommetastasen im Kopf-Hals-Bereich. Ultraschall in der Medizin 20:218-22.

Flunkert C, Stöver T, Heermann R (1999). Der interessante Fall Nr. 30. Mukozele. Laryngo-Rhino-Otologie 78:642-4.


Molekularbiologie – Zellkultur

Untersuchungen zum protektiven Effekt Neurotropher Faktoren auf Spiralganglienzellkulturen
Projektmitarbeiter: P. Wefstaedt, H. Rieger, K. Wissel, A. Warnecke, T. Stöver
(Arbeitsgruppe Neurotrophe Faktoren)

Das Korrelat von Hörminderung und Ertaubung stellt sich morphologisch in einem Verlust der Haarzellen und einer Degeneration der diese innervierenden Spiralganglienzellen dar. Für die erfolgreiche Versorgung betroffener Personen mit einem Cochlea-Implantat (CI) ist es entscheidend, möglichst viele dieser Spiralganglienzellen zu erhalten und dafür zu sorgen, dass eine optimale Nerv-Elektroden-Interaktion hergestellt wird. In jüngster Zeit sind in dieser Hinsicht besonders Neurotrophe Faktoren (NTF) wie GDNF oder NT-3 in den Blickpunkt des Interesses gelangt, da diesen Faktoren ein protektiver bzw. trophischer Effekt auf Spiralganglienzellen zugeschrieben werden kann. Über die detaillierten molekularen Mechanismen, die eine Kultivierung von Spiralganglienzellen in Anwesenheit von Neurotrophen Faktoren hervorruft, ist bislang wenig bekannt. Insbesondere das Expressionsverhalten der entsprechenden Rezeptoren unter Neurotrophingabe ist noch unzureichend untersucht.

In den aktuellen Untersuchungen werden sowohl Spiralganglienzellexplantate als auch Spiralganglienzellsuspensionen 3-5 Tage alter Ratten für 72 Stunden in Kultur gehalten. Dem Zellkulturmedium werden verschiedene NTF (GDNF, BDNF, aFGF, NT-3) zunächst getrennt und später auch in Kombination zugefügt, wobei zunächst die einen maximalen protektiven bzw. trophischen Effekt bedingende Konzentration ermittelt wird. Die Auswertung wird nach immunhistochemischer Markierung eines für Neuriten spezifischen Neurofilaments vorgenommen, indem die Länge der ausgesprossten Spiralganglienzellneuriten unter den verschiedenen Versuchskonditionen miteinander verglichen wird. Zur Quantifizierung des Zellüberlebens werden die Spiralganglienzellen der Suspensionskultur vor Beginn und nach Abschluss der Kultivierung gezählt.


Genexpressions-Analyse von GDNF, RET und GFRα-1 in modioli neonataler Ratten (d 3-5)

Zur Untersuchung der durch die Neurotrophingabe hervorgerufenen molekularen Effekte wird das Expressionsverhalten von GDNF und seinen Rezeptoren Ret und GFRα mittels semiquantitativer RT-PCR analysiert. Als Untersuchungsmaterial dient das in den Zellkulturversuchen generierte Spiralganglienzellmaterial.

Die Analysen zum Auswachsverhalten und Zellüberleben in Anwesenheit Neurotropher Faktoren kultivierter Spiralganglienzellen liefern in Kombination mit den Ergebnissen zum Expressionsverhalten von GDNF und seinen Rezeptoren wichtige Erkenntnisse für ein besseres Verständnis protektiver Mechanismen im Innenohr.


BDNF 50 mg/ml nach 72 Stunden Kultivierung (Vergößerung 40x)

Molekularbiologie – EU NanoEar
 
Projektmitarbeiter: T. Stöver, V. Scheper, K. Wissel, M. Wolf, Th. Lenarz

Das von der Europäischen Union seit November 2006 geförderte Projekt „NanoEar“ hat zum Ziel, Nanopartikel zu entwickeln, die Medikamente in das Innenohr transportieren und dort gezielt freigeben.

In der Europäischen Union leben rund 44 Millionen Menschen, deren Alltag durch Hörschäden beeinträchtigt ist. Über 33.000 Europäer sind völlig taub. Die volkswirtschaftlichen Folgekosten sollen sich auf über 220 Milliarden Euro belaufen.

Cochlea-Implantate stellen die bislang bestetabliertesten neurobionischen Prothesen dar, und ihre klinische Anwendung gehört mittlerweile zu den Standardverfahren in der Behandlung von Taubheit. Insbesondere die operative Versorgung taub geborener Kinder stellt inzwischen den Goldstandard in der Behandlung dieser Patientengruppe dar, und ca. 80 % der implantierten Kinder werden durch das Implantat in die Lage versetzt, Regelschulen zu besuchen. Dennoch ist die interindividuelle Variabilität des Erfolges der Cochlea-Implantat-Versorgung sehr hoch, so dass trotz der guten Etablierung des Verfahrens und seiner allgemeinen Akzeptanz doch ein erheblicher Bedarf zur Verbesserung der Effektivität des Verfahrens besteht.

Ein internationales Team, bestehend aus akademischen und industriellen Partnern aus 11 europäischen Ländern (Dänemark, Deutschland, England, Finnland, Frankreich, Griechenland, Italien, Österreich, Schweden, Schweiz, und Tschechien), will ein Verfahren entwickeln, mit dem Medikamente oder therapeutische DNA in Nanopartikel verpackt und gezielt an oder in bestimmte Innenohrzellen gebracht werden sollen, ohne dabei das umgebende Gewebe zu beeinflussen. Verwendet werden dafür multifunktionale Nanopartikel der dritten Generation, die in der Lage sind verschiedene Moleküle aufzunehmen und deren Oberflächen mit Rezeptoren beschichtet werden können. Mit diesen Rezeptoren haften die Partikel nur an ganz bestimmten Zellen an und liefern dort den Wirkstoff ab. Darüber hinaus müssen die Partikel so konstruiert werden, dass die Abbauprodukte keine toxischen Folgewirkungen zeigen. Die im Rahmen des NanoEar-Projekts entwickelten multifunktionellen Nanopartikel werden an Cochlea-Implantate gekoppelt werden. Ziel ist, durch Therapie ausgesuchter Innenohrzellen eine weitere Optimierung der Cochlea-Implantat-Versorgung zu erreichen. 

Verschiedene, im Rahmen des EU-Projekts NanoEar zu untersuchende, Nanopartikel-Grundstrukturen sowie die schematische Darstellung eines multifunktionalen Nanopartikels der dritten Generation.

Weitergehende Informationen:
http://www.nanoear.org

Sonderforschungsbereich 599 'Biomedizintechnik'
„ Zukunftsfähige bioresorbierbare und permanente Implantate aus metallischen und keramischen Werkstoffen“

Sprecher: Prof. Dr. med. Th. Lenarz
Stellv. Sprecher: Prof. Dr.-Ing. Fr.-W. Bach, Prof. Dr. med. vet. I. Nolte
Geschäftsführung: Dipl.-Ing. T. Fabian 

Der Sonderforschungsbereich 599 „Zukunftsfähige bioresorbierbare und permanente Implantate aus metallischen und keramischen Werkstoffen“ ist eine Initiative der Universität Hannover in Zusammenarbeit mit der Medizinischen Hochschule Hannover und der Tierärztlichen Hochschule Hannover. Die Geschäftsführung des SFB wird am Zentrum für Biomedizintechnik (zbm), einer Einrichtung des Fachbereichs Maschinenbau an der Universität Hannover, ausgeführt. Mit Prof. Dr. Th. Lenarz kommt der Sprecher des techniklastigen SFB 599 aus der Medizin, womit die interdisziplinäre Ausrichtung unmittelbar deutlich wird.

Der SFB 599, Kurztitel Biomedizintechnik, widmet sich der Grundlagenforschung für die Entwicklung von besseren Implantaten zum Wohle der Patienten und zur Reduktion der Kosten. Durch Innovationen in der werkstofflichen Herstellung, Bearbeitung, Funktionalisierung, Berechnung und Prüfung von Implantaten sowie der Elektrochemie der Implantate in Wechselwirkung mit biologischen Materialien, soll eine höchstmögliche physiko-chemische und mechanische Biofunktionalität erreicht werden. Die werkstoffkundlichen Lösungsansätze zu Temporär- und Dauerimplantaten aus den Ingenieur- und Naturwissenschaften werden in in-vitro- („im Reagenzglas“) und in-vivo- („im lebenden Organismus“) Untersuchungen sowie zellbiologisch grundlegend charakterisiert und mittels technischer und medizinischer Simulationsmodelle abgebildet. Zur Einstellung der Biokompatibilität werden Art und Beschaffenheit des Materials und der Implantatoberfläche mit neuen Methoden modifiziert und angepaßt.

Die Lösungsansätze des Sonderforschungsbereiches Biomedizintechnik sollen nicht nur offene Fragen der Medizin beantworten, sondern auch helfen, mit dem neuen Wissen Fragen der Ingenieur- und Naturwissenschaften zu beantworten. Darüber hinaus wird mit diesem SFB die Zusammenarbeit der beteiligten Fachdisziplinen nachhaltig vertieft und dem wissenschaftlichen Nachwuchs eine einzigartige Chance der interdisziplinären Zusammenarbeit eröffnet.

Der SFB stellt in Deutschland eine einmalige interdisziplinäre Initiative im Hinblick des Ineinandergreifens der Materialwissenschaften, der Medizin und der Tiermedizin inklusive der umfassenden Einbindung der Zellbiologie dar. Um gesicherte Grundlagen in einer großen Bandbreite für zukunftsgerichtete Wissenschaft zu schaffen, in diesem SFB gilt dies für die komplexen Verhältnisse bezüglich Implantatmaterialeinsatz, besteht die Notwendigkeit der Förderung einer engsten Vernetzung und Kooperation der Disziplinen, wie sie hier vorliegt. Aufgrund dieser Situation ergibt sich im Vergleich zu anderen SFB die Notwendigkeit, Wissenschaftler unterschiedlicher Fachgebiete, z. B. einen Mediziner und einen Naturwissenschaftler, innerhalb eines Teilprojektes parallel zu fördern. So kommt es zu einer besonders fruchtbaren Verfolgung der Projektziele sowie der intensiven Verbindung der Themengebiete.

Projektbereich R: Resorbierbare Implantate

R1 Magnesiumdegradation
Entwicklung von biokompatiblen Magnesiumlegierungen und Untersuchung von deren Degradationsverhalten (Fr.-W. Bach, M. Peuster, P. Wilk)

R2 Magnesiumschwämme
Magnesiumschwämme als bioresorbierbare Implantate (Fr.-W. Bach, S. Besdo, F. Witte, H. Hauser; M. Rudert beratend)

R3 Biokompatibilität von Implantaten auf Eisenbasis
Zellbiologische Bewertung der Biokompatibilität von mikrostrukturierten, kardiovaskulären Implantaten auf Eisenbasis (M. Peuster, H. Hauser, H. Lubatschowski)

R4 Mechanische Bearbeitung
Funktionsangepaßte Bearbeitung medizinischer Implantate (B. Denkena, F. Witte, A. Meyer-Lindenberg)

R6 Degradable Knochenimplantate
Optimierung der Knochenregeneration durch stabilitätsgesteuerte Implantatresorption unter Verwendung resorbierbarer Leichtmetalle (C. J. Wirth, H. Windhagen, A. Meyer-Lindenberg, D. Besdo)

Projektbereich D: Dauerimplantate

D1 Neue Medizinkeramiken
Biomimetische Synthese von Keramiken zum Einsatz als Knochenersatzstoffe in sterilen und kontaminierten Gebieten (P. Behrens, Th. Lenarz, R. Heermann, P. Müller, M. Stieve)

D2 Nerven-Elektroden-Interaktion
Entwicklung eines Elektrodenarrays für optimierte Nerven-Elektroden-Interaktion (Th. Lenarz, A. Ostendorf, G. Reuter, T. Stöver; R. Feretti beratend)
>> PDF-Download

D3 Implantat Prototyping
Rapid Prototyping von artikulären metallischen Endoprothesen mit angepaßter Elastizität
(A. Ostendorf, J. Bunte, C. Hurschler, C. Stukenborg-Colsman)

D4 Keramikimplantate
Automatisierte Freiformflächenbearbeitung und Prüfung verschleißarmer Keramikimplantate
(B. Denkena, C. Stukenborg-Colsman, C. Hurschler)

D5 Tribosystemoptimierung
Tribosystemoptimierung der Gleitpaarung künstlicher Gelenke (I. Nolte, B.-A. Behrens, C. J. Wirth, H. Windhagen)

D6 Totalendoprothesendesign
Numerische Simulation zum belastungsgerechten Design von Totalendoprothesen und Implantaten (C. J. Wirth, B.-A. Behrens, I. Nolte)

D7 Implantatoberflächen
Funktionalisierung von Implantatoberflächen (H. Windhagen, H. Menzel, Fr.-W. Bach, G. Groß)

Projektbereich T: Mikrostrukturierte Cochlea-Implantat-Elektroden

T1 Entwicklung und Herstellung mikrostrukturierter Elektrodenoberflächen zur Reduktion des Bindegewebswachstums auf Cochlea-Implantaten (T. Stöver, G. Paasche, V. Scheper, C. Dieter,
R. Calixtoß)
>> PDF-Download

Verwaltungsprojekt

Z1 Verwaltung des Sonderforschungsbereiches
Zentrum für Biomedizintechnik der Universität Hannover

Weitere Informationen geben gern Professor Dr. Thomas Lenarz
Telefon: +49 (0)511/532-6565
E-Mail: Lenarz@hno.mh-hannover.de

und Dipl.-Ing. Tilman Fabian
Telefon: +49 (0)511/762-9842 oder –9815
E-Mail: sfb599@iw.uni-hannover.de