Forschung & Entwicklung

Vielkanalige Cochlea-Implantate mit Mikroleuchtdioden

Erstmals kombinieren Forscher die Gentherapie in der Hörschnecke mit optischen Cochlea-Implantaten zur optogenetischen Anregung der Hörbahn in Wüstenrennmäusen.

Herkömmliche Hörprothesen, sogenannte Cochlea-Implantate (CI), regen den Hörnerv hochgradig schwerhöriger oder tauber Menschen mittels elektrischen Stroms an. Die Qualität dieses künstlichen Hörens ist jedoch weit entfernt von der Qualität natürlichen Hörens. Dies zeigt sich vor allem an einem schlechten Sprachverständnis in Umgebungen mit Hintergrundgeräuschen. Auch die Musikwahrnehmung ist deutlich eingeschränkt. Eine grundlegende Verbesserung des Hörens mit einem Cochlea-Implantat könnte in Zukunft erreicht werden, wenn es gelingt, den Hörnerv zielgenau mit Licht zu reizen. Da sich Licht – im Vergleich zu elektrischem Strom – besser räumlich eingrenzen lässt, würde es eine präzisere Anregung des Hörnervs ermöglichen.

Auf dem Weg zur Entwicklung eines optischen Cochlea-Implantats sind jetzt Göttinger Hörforscher um Professor Tobias Moser gemeinsam mit einem von Dr. Patrick Ruther geleiteten Team von Ingenieuren des Instituts für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg einen großen Schritt vorangekommen. Da der Hörnerv natürlicherweise nicht auf Licht reagiert, muss er durch gentherapeutische Eingriffe zunächst lichtempfindlich gemacht werden. An einem am Institut für Auditorische Neurowissenschaften sowie am Exzellenzcluster Multiscale Bioimaging von molekularen Maschinen zu Netzwerken erregbarer Zellen (MBExC) der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) entwickelten Tiermodell für menschliche Schwerhörigkeit mit gentechnisch verändertem, lichtsensitivem Hörnerv ließ sich nun ein an der Universität Freiburg entwickeltes neuartiges Cochlea-Implantat für das Hören mit Licht erstmals erproben. Die Ergebnisse zeigen: Optische CIs basierend auf Mikroleuchtdioden (µLED) regen den gentechnisch veränderten Hörnerv mittels Licht mit großer Präzision an.

„Dies ist ein wichtiger Meilenstein bei der Entwicklung zukünftiger klinischer optischer Cochlea-Implantate. Wir sind damit einen großen Schritt in Richtung klinischer Anwendbarkeit künftiger optischer Cochlea-Implantate vorangekommen“, sagt Professor Tobias Moser.

In vorausgehenden Studien wurden bisher zur optischen Anregung des Hörnervs maximal drei Glasfasern genutzt, um mit deren Hilfe Licht von externen Lasern in die Cochlea zu leiten. In der nun veröffentlichten Studie kamen erstmals optische Cochlea-Implantate mit 16 µLEDs (Mikroleuchtdioden) mit einer Kantenlänge von lediglich 0,06 mm zur Anregung des Hörnervs in Wüstenrennmäusen zum Einsatz. Die am Institut für Mikrosystemtechnik an der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg entwickelten CIs mit speziellen und sehr kleinen Mikroleuchtdioden können unabhängig voneinander Licht an verschiedenen Stellen der Hörschnecke generieren.

Die Ergebnisse der Studie belegen: Die Anregung des genetisch veränderten Hörnervs mittels der eigens dafür entwickelten µLED-Cochlea-Implantate ist möglich. Die Stärke der Nervenzellaktivität variierte mit der verwendeten Lichtintensität und Anzahl der gleichzeitig aktivierten µLEDs. Besonders wichtig war es, eine hohe Präzision bei der Stimulation der Hörbahn nachweisen zu können, denn sie macht eine bessere Tonhöhenunterscheidung möglich. „Diese Ergebnisse lassen hoffen, dass künstliches Hören in der Zukunft mit verbesserter Hörqualität möglich sein wird“, sagt Dr. Alexander Dieter von der UMG.

„Die Integration von miniaturisierten Lichtstrahlern mit Abmessungen, die der Dicke eines menschlichen Haares entsprechen, in einem flexiblen Cochlea-Implantat für die kleine Hörschnecke von Nagetieren ist eine technische Meisterleistung der Freiburger Kollegen“, sagt Professor Moser. „Auch wenn die Entwicklung optischer Cochlea-Implantate für Menschen noch einige Jahre in Anspruch nehmen wird, zeigen die aktuellen Versuche bereits die im Vergleich zum elektrischen Cochlea-Implantat verbesserte Tonhöhenauflösung.“

Weitere Entwicklungen sollen nun die Energieeffizienz und die optischen Eigenschaften der optischen CIs verbessern. „Technisch gesehen, gibt es nach dieser Machbarkeitsstudie noch viel für uns zu tun“, sagt Eric Klein vom IMTEK. „Wir wissen jedoch bereits, dass Linsensysteme mit den µLEDs kombiniert werden können und so mehr Licht präziser auf den Hörnerv gerichtet werden kann.“ Die Göttinger Hörforscher wollen nun Langzeitexperimente mit diesen optischen CIs im Tiermodell durchführen, um deren Nutzen für die Tonhöhenunterscheidung auf der Verhaltensebene zu untersuchen und die Langzeitstabilität des Ansatzes zu prüfen.

Mit einer ersten klinischen Studie am Menschen rechnet Professor Moser Mitte der 2020er Jahre: „Die weitere Entwicklung bis zur Anwendung am Menschen braucht einen langen Atem und visionäre Investoren“. Gemeinsam mit Kollegen hat er zu diesem Zweck das Göttinger Unternehmen OptoGenTech aus der Universitätsmedizin Göttingen ausgegründet.

von mn

Originalveröffentlichung:

[A. Dieter et al., µLED-based optical cochlear implants for spectrally selective activation of the auditory nerve, EMBO Mol. Med. (2020), DOI: 10.15252/emmm.202012387]

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