Ein drahtlos betriebenes bioelektronisches System im Nanometerbereich mit gezielter Lokalisierung auf zellulärer und subzellulärer Ebene

• Antragstellerin: Professorin Kristen Kozielski, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien ; Biomedizinische Systemtechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 568124678

Neuronale Implantate können in das Gehirn oder das Rückenmark implantiert werden und ermöglichen es uns, das Nervensystem zu steuern oder mit ihm zu kommunizieren. So haben beispielsweise neuere neuronale Implantate Patienten mit Rückenmarksverletzungen geholfen, wieder gehen zu können. Die meisten neuronalen Implantate haben zentimetergroße Abmessungen, müssen chirurgisch implantiert werden und sind durch das Gehirn hindurch und aus ihm heraus verkabelt. Dies macht die Implantation invasiv, birgt das Risiko von Infektionen oder Gewebeschäden und beschränkt die Anwendung daher auf Patienten mit schweren Symptomen. Stattdessen stellt unsere Gruppe neuronale Geräte her, die nanoskalig, injizierbar und drahtlos sind. Die Nanopartikel-Bioelektronik oder "Nanoelektroden" können durch Injektion implantiert werden und sind daher einfacher einzusetzen und weniger invasiv als verkabelte Mikroelektrodensysteme. Durch die Verringerung der Invasivität und des Implantationsrisikos könnte diese Technologie den ungedeckten medizinischen Bedarf von mehr Menschen mit neurologischen Beeinträchtigungen decken. Das Potenzial dieser Technologie geht jedoch über die geringere Invasivität hinaus, da die Verwendung von Nanoelektroden einen entscheidenden Vorteil bietet, der nur mit diesen kleinen und drahtlosen Geräten möglich ist. Im Nanomaßstab können implantierte Partikel auf eine Weise durch das Gewebe diffundieren, die über ihre Oberflächenchemie steuerbar ist, und zellspezifische Molekülgruppen auf der Oberfläche von Nanopartikeln ermöglichen ihre gezielte Lokalisierung. Diese Technik ist zwar in den Bereichen Nanomedizin und Arzneimittelabgabe etabliert, war jedoch aufgrund ihrer suprazellulären Dimensionen für die Bioelektronik bisher irrelevant. Die von unserer Gruppe entwickelten Nanoelektroden gehören zu den ersten Beispielen für nanoskalige Bioelektronik und haben daher das Potenzial, sich bei der elektrischen Stimulation zellselektiv zu verhalten. Hier schlagen wir vor, die Oberfläche gezielt zu modifizieren, um die Nanoelektroden auf zelluläre und subzelluläre Ziele zu lokalisieren und so ein zellspezifisches bioelektronisches Gerät zu erzeugen. Die vorgeschlagene Arbeit wird sich auf das Gebiet der bioelektronischen Medizin auswirken, indem ein selektiver, injizierbarer und minimalinvasiver Nervenstimulator entwickelt wird, der negative Nebenwirkungen vermeiden soll. Diese Technologie hat das Potenzial, auf verschiedene neurologische, entzündliche und onkologische Erkrankungen übertragen zu werden, und stellt daher einen entscheidenden Schritt in der Entwicklung der drahtlosen Bioelektronik der nächsten Generation dar. Diese Forschung wird den Weg für sicherere, wirksamere und weniger invasive Neuromodulationstherapien ebnen und letztlich die Lebensqualität von Patienten mit schweren Erkrankungen verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen