Mit Schallwellen durchs Gehirn

Hirntumore, Hirnblutungen sowie neurologische und psychische Erkrankungen lassen sich oft nur schwer mit Medikamenten behandeln. Selbst wenn es wirksame Medikamente gibt, haben diese oft starke Nebenwirkungen, weil sie im ganzen Gehirn zirkulieren und nicht nur in dem Bereich, in dem sie wirken sollen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler setzen daher grosse Hoffnungen in die M?glichkeit, Medikamente im Gehirn k¨¹nftig gezielter an einem eng begrenzten Wirkort zu deponieren. Sie sind deshalb daran, Mini-Transportvehikel zu entwickeln, die sie durch die reich verzweigten Blutbahnen steuern k?nnen.

Forschenden der ETH Z¨¹rich, der Universit?t und des Universit?tsspitals Z¨¹rich ist es nun erstmals gelungen, mit Mikrovehikeln, die sich mit Ultraschall steuern lassen, durch die Blutgef?sse im Gehirn eines Tieres zu navigieren.

Ultraschall statt Magnetismus

Gegen¨¹ber alternativen Navigationstechniken wie jener ¨¹ber Magnetfelder, hat Ultraschall Vorteile, wie Daniel Ahmed, Professor f¨¹r Akustische Robotik an der ETH Z¨¹rich und Leiter der Studie, erkl?rt: ?Ultraschall wird in der Medizin bereits breit eingesetzt, dringt tief in den K?rper ein und ist sicher.?

Als Mikrovehikel nutzten er und seine Kolleg:innen gasgef¨¹llte Bl?schen mit einer H¨¹lle aus Fetts?uren ¨C demselben Bestandteil, aus dem die Membranen biologischer Zellen bestehen. Die Bl?schen haben einen Durchmesser von eineinhalb Mikrometern und werden heute als Kontrastmittel in der Ultraschall-Bildgebung eingesetzt.

Wie die Forschenden nun zeigen, lassen sich diese Bl?schen durch die Blutbahn steuern. ?Da die Vesikel bereits f¨¹r den Einsatz beim Menschen zugelassen sind, werden wir unsere Technologie wahrscheinlich schneller zur Zulassung und Anwendung beim Menschen bringen k?nnen als alternative Mikrovehikel, an denen derzeit geforscht wird?, sagt Ahmed, der f¨¹r sein Projekt zur Erforschung und Entwicklung dieser Technologie 2019 einen ?Starting Grant? des Europ?ischen Forschungsrats ERC erhalten hat.

Ein weiterer Vorteil der ultraschallgesteuerten Mikrobl?schen ist, dass sie sich nach getaner Arbeit im K?rper zersetzen. Bei der Steuerung ¨¹ber Magnetfelder, einem anderen Ansatz, m¨¹ssen die Mikrovehikel magnetisch sein, und es ist nicht ganz einfach biologisch abbaubare magnetische Mikrovehikel zu entwickeln. Ausserdem sind die Mikrobl?schen der ETH-Forschenden klein und weich. ?Wir k?nnen damit leicht durch enge Blutkapillaren navigieren?, sagt Alexia Del Campo Fonseca, Doktorandin in Ahmeds Gruppe und Erstautorin der Studie.

Transport gegen die Fliessrichtung

Die Steuerung der Mikrobl?schen in engen Gef?ssen haben Ahmed und seine Gruppe in den vergangenen Jahren im Labor entwickelt. Nun hat er sie zusammen mit Forschenden der Universit?t und des Universit?tsspitals Z¨¹rich in den Blutgef?ssen des Gehirns von M?usen getestet. Die Forschenden injizierten die Bl?schen in den Blutkreislauf der M?use. Ohne ?ussere Kontrolle werden die Bl?schen vom Blutstrom mitgerissen. Den Forschenden gelang es jedoch, die Vesikel mit Ultraschall an Ort zu halten oder sie gegen die Fliessrichtung des Bluts durch Gehirngef?sse zu steuern. Die Forschenden konnten die Bl?schen auch ¨¹ber verschlungene Blutbahnen lenken oder sie die Richtung mehrfach wechseln lassen um sie in feinste Ver?stelungen der Blutgef?sse zu navigieren.

Um die Mikrovehikel zu steuern, haben die Forschenden aussen am Sch?del der M?use vier kleine Energiewandler befestigt. Diese erzeugen Schwingungen im Ultraschallbereich, die sich im Gehirn als Wellen ausbreiten. Dabei k?nnen sich die Wellen von zwei oder mehreren Energiewandlern an bestimmten Stellen im Gehirn gegenseitig ausl?schen oder verst?rken. Die Wissenschaftler:innen navigieren die Bl?schen ¨¹ber eine ausgekl¨¹gelte dynamische Steuerung der einzelnen Energiewandler. Ein Echtzeit-Bildfeedback zeigt ihnen dabei, wohin sich die Bl?schen bewegen.

F¨¹r die Bildgebung in dieser Studie nutzten die Forschenden die Zweiphoton-Mikroskopie. In Zukunft m?chten die Wissenschaftler:innen auch Ultraschall zur Bildgebung nutzen, wozu sie die Ultraschalltechnik weiterentwickeln wollen.

In dieser Studie waren die Mikrobl?schen nicht mit Medikamenten best¨¹ckt. Die Forschenden wollten zun?chst die Vehikel durch die Blutgef?sse steuern und die Machbarkeit im Gehirn aufzeigen. Dort liegen vielversprechende medizinische Anwendungen, von Krebs ¨¹ber Schlaganf?llen bis zu psychischen Erkrankungen. In einem n?chsten Schritt m?chten die Forschenden Wirkstoffmolek¨¹le f¨¹r den Transport aussen an die Bl?schenh¨¹lle heften. Und sie m?chten das gesamte Verfahren so weiterentwickeln, dass es auch im Menschen funktioniert. Darauf basierend sollen in Zukunft neue Therapien entwickelt werden.