Test implantierbarer BIMEA Stimulatoren mit optimierten Stimulationsprotokollen bei Tiermodellen der Rezeptordegeneration
Augenheilkunde
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Teilprojekts A wurde der Prozess zur Herstellung von Mikroelektrodenarrays bezüglich der Erhöhung der Langzeitstabilität der Elektrodenarrays optimiert. Hierzu war es notwendig, neue Materialkombinationen einzusetzen. Zusätzlich wurde das Design der Arrays nach den Erfahrungen der ersten Projektphase neu erstellt und in dem optimierten Prozess gefertigt. Diese Mikroelektrodenarrays haben vier 60 µm breite Schäfte mit jeweils vier Elektroden und einer Länge von 200 µm. Die Schäfte haben einen Abstand von jeweils 250 µm. Die Projektpartner aus der Biologie haben diese optimierten Mikroelektrodenarrays erfolgreich in Experimenten an Mäuseretinae eingesetzt. Darüber hinaus konnten Mikroelektrodenarrays mit beidseitigen Kontakten durch rückseitiges Bonden zweier Mikroelektrodenarrays realisiert werden und erfolgreich im Elektrolyten mittels Impedanzspektroskopie getestet werden. Im Rahmen des Subprojektes B wurde ein bidirektionaler Neurostimulator entwickelt, bei dem die Frontend-Beschaltung speziell für die ladungsgesteuerte Stimulation in der retinalen Anwendung entworfen wurde. Mittels einer in der Anwendung neuartigen Form der Rückkopplung wird der Ladungstransfer durch die hochfrequente Übertragung definierter Ladungspakete während der Polarisation der Elektrode sichergestellt, sodass ein großer Impedanz-Bereich des Elektroden-Gewebe-Übergangs abgedeckt werden kann und eine Elektroden-Miniaturisierung keinen Einfluss auf den Ladungstransfer besitzt. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die zeitinvarianten Eigenschaften des Elektroden-Gewebe-Übergangs über die Messung der Stimulationsgrößen (Spannung, Strom) aus dem Randles-Modell extrahiert werden können. Teilprojekt C befasste sich mit der anatomischen und physiologischen Charakterisierung der rd10 Mausnetzhaut, ein Degenerationsmodell für Retinitis pigmentosa, deren oszillatorische Aktivität in direktem Zusammenhang mit einer verringerten Stimulierbarkeit durch elektrische Reize steht. Wir konnten zeigen, dass verschiedene Benzodiazepine zur Aufhebung der Oszillationen bei gleichzeitiger Steigerung der Stimulationseffizienz führten. Dieser Effekt konnte ebenfalls, wenn auch nur kurzzeitig, durch definierte elektrische Prästimuli erzielt werden. Dagegen hatte der Einsatz körpereigener Neurotrophine keinerlei Einfluss auf die elektrische Aktivität der Netzhaut. Transkriptomanalysen verschiedener Altersstufen der rd10 Netzhaut zeigten eine mit der Zeit zunehmende Hochregulierung synapsenregulatorischer/- organisatorischer Wege und anhand von neuropathologischen Untersuchungen konnten Parallelen zu anderen neurodegenerativen Erkrankungen, wie der Amyotrophischen Lateralsklerose, nachgewiesen werden. Die in diesem Teilprojekt erzielten Ergebnisse eröffnen die Möglichkeit für weitere vergleichende pathoanatomische/-physiologische Untersuchungen und stellen einen ersten wichtigen Schritt in der Weiterentwicklung therapeutisch anwendbarer Retinaimplantate hin zu einer pharmakologisch- oder gentherapeutisch-gestützten Implantattechnik dar. Im Teilprojekt D wurden BIMEA Strukturen dann in-vitro bei der Mausnetzhaut eingesetzt. Je nach Penetrationstiefe und Netzhautstatus (Wildtyp oder Degenerationsmodell, rd10) konnten unterschiedliche Profile der Netzhautaktivität registriert werden. Es konnte gezeigt werden, dass gleichzeitig mit einer intraretinalen BIMEA Stimulation die Ableitung der Ganglienzellaktivität in der Netzhaut als Erfolgskriterium gelang. Da die BIMEA Strukturen noch eine relativ große Anbindung an die erforderliche Elektronik benötigen, waren Experimente am lebenden Versuchstier nicht möglich. Es wurde an Kadaveraugen ein experimenteller Ansatz erprobt, der nach operativer Entfernung des vorderen Augenabschnitts („open sky Zugang“) das Platzieren dieser Strukturen in die Netzhaut ermöglicht. Es wurde die operative Infrastruktur aufgebaut, solche Strukturen beim narkotisierten Versuchstier zu implantieren und gleichzeitig Antworten in der Sehrinde abzuleiten. Hierfür wurden netzhautchirurgische Eingriffe an drehbaren stereotaktischen Haltesystemen durchgeführt. Versuchstiere, die größere Augen haben als Mäuse, sind für chirurgische Eingriffe besser geeignet. Deshalb wurde die Induktion einer retinalen Degeneration beim Kaninchen untersucht. Hierzu wurden die intravitreale Injektion von Methylnitrosoharnstoff (MNU) und die UV Bestrahlung von Augen untersucht. Die Injektion von MNU führt lokal in der Netzhaut zu einer sehr ausgeprägten aber schwer vorhersagbaren Degeneration der Sinneszellen. Jedoch kommt es bei Dosierungen, die zu einer Degeneration der gesamten Netzhautfläche führen würde, zu erheblichen Nebenwirkungen an der Hornhaut, die dadurch ihre Transparenz verliert. Wendet man eine gezielte UV Bestrahlung an, kann man bei der Maus ohne Nebenwirkungen eine sehr zuverlässige Degeneration im Bestrahlungsfeld erreichen. Überträgt man den Ansatz auf das Kaninchen, so kommt es hier wieder zu einer irreversiblen Hornhauttrübung, wodurch sich dieses Modell nicht als chirurgisches Modell für die Implantation von Retina Implantaten eignet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2020) Establishment and Characterization of a Unilateral UV-Induced Photoreceptor Degeneration Model in the C57Bl/6J Mouse. Translational vision science & technology 9 (9) 21
van der Meer, Anna-Marina; Berger, Tanja; Müller, Frank; Foldenauer, Ann Christina; Johnen, Sandra; Walter, Peter
(Siehe online unter https://doi.org/10.1167/tvst.9.9.21) - “Correlations between ERG, OCT, and Anatomical Findings in the rd10 Mouse”, J Ophthalmol 2014;2014:874751
S. Rösch, S. Johnen, F. Müller, C. Pfarrer, P. Walter
(Siehe online unter https://doi.org/10.1155/2014/874751) - “Pharmacological Analysis of Intrinsic Neuronal Oscillations in rd10 Retina”, PLoS One 2014;9:e99075
S. Biswas, C. Haselier, A. Mataruga, G. Thumann, P. Walter, F. Müller
(Siehe online unter https://doi.org/10.1371/journal.pone.0099075) - “Selective Photoreceptor Degeneration by Intravitreal Injection of N-Methyl-N-Nitrosourea”, Invest Ophthalmol Vis Sci 2014;55:1711-23
S. Rösch, S. Johnen, A. Mataruga, F. Müller, C. Pfarrer, P. Walter
(Siehe online unter https://doi.org/10.1167/iovs.13-13242) - “The effects of iodoacetic acid on the mouse retina”, Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol 2015;253: 25-35
S. Rösch, S. Johnen, B. Mazinani, F. Müller, C. Pfarrer, P. Walter
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00417-014-2652-0) - “Correlations between specific patterns of spontaneous activity and stimulation efficiency in degenerated retina”, PLoS One 2017;12:e0190048
C. Haselier, S. Biswas, S. Rösch, G. Thumann, F. Müller, P. Walter
(Siehe online unter https://doi.org/10.1371/journal.pone.0190048) - “Evaluation of Retinal Function and Morphology of the Pink-Eyed Royal College of Surgeons (RCS) Rat: A Comparative Study of in Vivo and in Vitro Methods”, Curr Eye Res 2017;42:273-281
S. Rösch, C. Aretzweiler, F. Müller, P. Walter
(Siehe online unter https://doi.org/10.1080/02713683.2016.1179333) - “Implementation of a Charge Controlled Stimulation Method in a Monolithic Integrated CMOS-Chip for Excitation of Retinal Neuron Cells”, Workshop on Microelectronics AustroChip 2017, pp.47-52, Oct. 2017
A. Erbslöh, R. Viga, P. Walter, R. Kokozinski and A. Grabmaier
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/Austrochip.2017.9) - “Photoreceptor degeneration by intravitreal injection of N-methyl-N-nitrosourea (MNU) in rabbits: a pilot study”, Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol 2017;255:317-331
S. Rösch, C. Werner, F. Müller, P. Walter
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/s00417-016-3531-7) - „Evaluation of an Enhanced Electrical Charge Controlled Stimulation Method for Retinal Bipolar Cells“, Artificial Vision 2017, Dec. 2017
A. Erbslöh, P. Raffelberg, R. Viga, R. Kokozinski and A. Grabmaier
(Siehe online unter https://doi.org/10.3205/17artvis13) - “The Very Large Electrode Array for Retinal Stimulation (VLARS) – A concept study", (2019) J. Neural Eng.
T. Lohmann, F. Haiss, K. Schaffrath, A.C. Schnitzler, F. Waschkowski, C. Barz, A.M. van der Meer, C. Werner, S. Johnen, T. Laube, N. Bornfeld, B. Mazinani, G. Roessler, W. Mokwa, P. Walter
(Siehe online unter https://doi.org/10.1088/1741-2552/ab4113) - “Toward a Bidirectional Communication Between Retinal Cells and a Prosthetic Device – A Proof of Concept”, Front. Neurosci., 30 April 2019
V. Rincón Montes, J. Gehlen, S. Lück, W. Mokwa, F. Müller, Peter Walter, A. Offenhäusser
(Siehe online unter https://doi.org/10.3389/fnins.2019.00367)
