Cochlea-Implantation: Evaluation of the dissolution of platinum-electrodes and development of stable electrodes-parameter for neural stimulation
Final Report Abstract
Als Ziel hat sich dieses Projekt die Evaluation der Dissolution der Platinelektroden gesetzt. Die Untersuchungen der Elektroden, welche teilweise durch Silikon verdeckt waren, zeigten herstellungsbedingte Verarbeitungsunterschiede der einzelnen Elektrodenkontakte auf. Diese produktionsbedingten Unterschiede in der Größe der Stimulationsfläche der Elektroden führen alleine zu Impedanz- und Strom-Unterschieden. Bei den explantieren Elektroden wurde ein Zusammenhang zwischen der erhöhten Rautiefe bzw. Rauheit und einem von Beginn der Tragedauer an niedrigen Strom und einer geringeren Impedanz gezeigt. Allerdings konnte kein Zusammenhang zwischen der Korrosion und Implantationsdauer nachgewiesen werden. Für die in vitro-Stimulationsversuche wurden ein über einen Sprachprozessor angesteuerter Versuch aufgebaut. Um den Stimulationsbereich eindeutig zu definieren wurden keine Elektroden sondern Platindrähte genau definierter Geometrie verwendet. In der chronischen Stimulation über 450 Stunden konnte eindeutig Korrosion der Platindrähte nachgewiesen werden. Konsekutiv konnte jeweils ein Anstieg der Impedanzen analog zur Erhöhung der Oberflächenrauheit festgestellt werden. Die Strukturveränderungen der Platinkontakte spiegelten sich in dem Anstieg der Ionenkonzentration des Elektrolyten wider. Die in vitro Versuche mit dem Funktionsgenerator führten aufgrund des überlagerten Gleichstromanteils während der Stimulation zu einer deutlich beschleunigten Korrosion. Die geplanten Untersuchungen der Perilymphe und zellulären Auflagerungen auf der Elektrode konnten nicht durchgeführt werden. Allerdings zeigen die Ergebnisse an den explantierten Elektroden und die in vitro Versuche, dass die chronische elektrische Stimulation bei Cochlea Implantaten zur Korrosion führen kann. Um den Einfluss des Platins und Korrosionsprodukte auf den Zellstoffwechsel, die Zellviabilität und die Neuritogenese des Hörnerven zu untersuchen, wurden im AP6 „Zellbiologische Untersuchungen zur Dissolution der Platin-Elektroden“ verfolgt. Ziel dieses Teilprojektes war die Etablierung eines Zellkulturmodells mit Zelllinien (murine Fibroblasten NIH 3T3, Neuroblastomzellen [SH-SY5Y]) sowie Spiralganglien-Neuronen (SGN) der Ratte als Primärzelllinie zur Untersuchung der Morphologie und der Zellviabilität/Zytotoxizität. Die Platin-Nanopartikel (Pt-NP) beeinflußen nach Kultivierung mit 5-100 µg/ml Pt-NP bis zu einer Konzentration von 50 µg/ml Pt-NP nicht das normale Zellwachstum und haben keinen Einfluss auf die Überlebensrate der SG-Neuronen. Im Gegensatz zu Pt-NP wirkte Pt-Diss bereits in geringen Konzentrationen toxisch auf beide Zelllinien. Des Weiteren wurden Veränderungen der Zellmorphologie nachgewiesen, was möglicherweise durch Induktion der apoptotischen Signalwege zu erklären ist. Mittels Transmissionselektronen-Mikroskopie konnte eine erhöhte Anzahl von Mitochondrien mit steigender Konzentration der Pt-NP in NIH 3T3- Kulturassays nachgewiesen werden. Mit Hilfe der CLSM/STED-Mikroskopie konnte gezeigt werden, dass Pt-NP an der Oberfläche der Zellen adhärieren, jedoch führte das Scannen nach intrazellulären Partikeln zu keinem reproduzierbaren Ergebnis, so dass die Methode nicht weiterverfolgt wurde. Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass die chronische elektrische Stimulation nach einer Cochlea Implantation zur Elektrodenkorrosion führen kann. Die Faktoren, die diese Korrosion auslösen, konnten im Rahmen des Projektes nicht eindeutig identifiziert werden. Jedoch konnte ein in vitro Modell der elektrischen Stimulation durch ein Cochlea Implantat entwickelt werden, welches es ermöglicht, unterschiedliche Einflussfaktoren abzubilden. Darüber hinaus führen die Platin-Ionen bereits bei geringeren Konzentrationen von mehr als 1,64 µg/g zur Zellapoptose. Somit liefert das Projekt die Datenbasis für die Entwicklung einer stabilen neuralen Stimulation.
Publications
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(2014). Changes on a platinum electrode surface during acoustic stimulation of a cochlear implant – in vitro approach. Biomedical Engineering/Biomedizinische Technik 59 (S1), S. 1144–1147
M. Durisin, T. Lenarz, N. Kanaan, F.-W. Bach, G. L. Angrisani, H. J. Maier
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(2016). In vitro-Einfluss der Platinionen nach elektrischer Stimulation infolge der Korrosion der CI-Elektrodenkontakte. 87. Jahresversammlung der DGHNO, 04-7.05.2016 in Düsseldorf, Germany
Kirsten Wissel, Nils Pütz, Luigi Angrisani, Thomas Lenarz, Martin Durisin
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(2016). Oberflächenveränderungen der explantierten Cochleaimplant (CI) -Elektroden bei CI-Trägern. 87. Jahresversammlung der DGHNO, 04-7.05.2016 in Düsseldorf, Germany
Martin Durisin, Melanie Steffens, Luigi Angrisani, Thomas Lenarz, Hans Jürgen Maier
