Lichtsonde zur Diagnose von Gehirnkrankheiten entwickelt
Einem internationalen Team gelingt es, Licht durch Nanostrukturen zu leiten, um die tiefsten Regionen des Gehirns zu untersuchen
Im Jahr 2019 begann NanoBright, ein ehrgeiziges Projekt, das die Verwendung von Licht zur Diagnose von Hirntumoren und -läsionen sowie anderen Pathologien vorsieht. Als Ergebnis dieser Arbeit wurde eine neuartige Sonde entwickelt, die Nanostrukturen nutzt, um Lichtsignale durch das Gehirngewebe zu leiten. Diese neue Technologie, die als Titelthema für die Zeitschrift Advanced Optical Materials ausgewählt wurde, könnte einen wichtigen Durchbruch bei der Untersuchung und Behandlung von Hirntumoren und neurodegenerativen Krankheiten wie Alzheimer bedeuten.
In vivo erfasste Pyramidenzellen des Hippocampus.
Elena Cid, del Instituto Cajal-CSIC
Das internationale Team wird vom Italienischen Institut für Technologie in Lecce (IIT-CBN, Italien) koordiniert und umfasst auch Wissenschaftler des Spanischen Nationalen Forschungsrats (CSIC) und des Spanischen Nationalen Krebsforschungszentrums (CNIO).
Die neue Technologie besteht aus einer optischen Faser, die im Durchmesser kleiner als ein menschliches Haar ist und sogenannte plasmonische Strukturen enthält. Dabei handelt es sich um metallische Nanostrukturen, die so eingestellt werden können, dass sie auf einen Lichtreiz reagieren, der sich durch die Faser bewegt. Die Größe der plasmonischen Strukturen ähnelt der von Nervenzellen, ein grundlegender Aspekt des Designs, bei dem die Zusammenarbeit mit dem CSIC-Team von entscheidender Bedeutung war. Das Gerät lenkt das Licht präzise und erzeugt eine physikalische Interaktion mit den Zellen, um deren Eigenschaften zu beobachten.
"Es handelt sich um eine optische Faser, die so verändert wurde, dass sie Licht senden und empfangen kann. Die Sonde kann die Moleküle des Hirngewebes beleuchten und das von ihnen reflektierte Licht verstärken, wodurch spektrale Muster erzeugt werden, die von den Eigenschaften der einzelnen Molekülarten abhängen", erklärt Liset Menéndez de la Prida vom Cajal-Institut des CSIC, Leiterin der neurowissenschaftlichen Anwendung des Projekts und Expertin auf dem Gebiet der Epilepsie.
Der CNIO-Forscher Manuel Valiente, der die Anwendung dieser Technologie in der Krebsforschung koordiniert, erklärt: "Diese erste Arbeit von Nanobright bestätigt, dass wir technisch in der Lage sind, zur zweiten Stufe überzugehen, um diese Präparate in experimentellen Krebsmodellen zu testen und in Zukunft die Möglichkeiten der Diagnose und Behandlung von Hirntumoren zu verbessern".
Die von Valiente geleitete Gruppe für Hirnmetastasen am CNIO wird den Einsatz dieser neuen Technologie zur Unterscheidung zwischen primären und metastasierenden Hirntumoren, die sehr unterschiedlich behandelt werden, sowie den Einsatz der Lichterzeugung zur Permeabilisierung der Blut-Hirn-Schranke untersuchen, um so den Zugang zum Gehirn für Medikamente gegen Tumore zu erleichtern.
Die Veränderung des Hirngewebes bei Metastasen oder Kopftraumata führt zu einer Veränderung der molekularen Zusammensetzung des Gewebes. Das Gleiche gilt für die Alterung oder die Alzheimer-Krankheit und die daraus resultierenden Veränderungen in der Zusammensetzung der Hirnlipide. Auf diese Weise kann die Technik die veränderten Gewebe charakterisieren, indem sie den unterschiedlichen Anteil von Substanzen wie den oben erwähnten Lipiden oder Proteinen misst.
Die von der Gruppe entwickelten neuronalen Sonden sind ebenfalls minimalinvasiv. Andere Techniken zur Untersuchung des Gehirns mit Hilfe von Licht, wie z. B. die optogenetischen Techniken, erfordern Veränderungen auf genetischer Ebene, um die Expression von Proteinen zu ermöglichen, die ihre korrekte Funktion gewährleisten. Bei der neuen Technologie wird biokompatibles Licht eingesetzt, das lediglich bereits im Gewebe vorhandene Moleküle anregt.
Die Forschung legt damit den Grundstein für einen neuen Ansatz zur Erforschung des zentralen Nervensystems und der molekularen Ursachen neurologischer Störungen. Die Wissenschaftler konzentrieren sich nun auf die nächste Phase des Projekts. "Wir haben einige erste Tests an fixiertem Gewebe durchgeführt. Wir beginnen jetzt mit der Systematisierung der Tests in experimentellen Modellen, die für die klinische Anwendbarkeit relevant sind, wie Hirnmetastasen, posttraumatische Epilepsie und Alterung", erklären Menéndez de la Prida und Valiente.
Das Projekt wurde von der Europäischen Kommission mit rund 3,5 Millionen Euro im Rahmen von FET (Future and Emerging Technologies) gefördert. Dabei handelt es sich um eines der technologisch ehrgeizigsten Förderprogramme in der Europäischen Union, das sich auf Projekte zur Entwicklung bahnbrechender Technologien konzentriert.
Zwei Jahre Forschung
Die Forschung ist das Ergebnis von mehr als zwei Jahren Arbeit eines multidisziplinären Teams aus Physikern, Nanotechnologen, Tumorbiologen und Neurowissenschaftlern mit Fachkenntnissen auf dem Gebiet der Nervenkrankheiten. "Es ist die erste Sonde, die im Rahmen des Konsortiums durchgeführt wurde. In diesen Jahren wurde die Technologie entwickelt und die ersten Tests wurden durchgeführt. Das ist eine Erfolgsgeschichte", sagt Menéndez de la Prida.
Das Projekt wurde von Filippo Pisano geleitet und von Ferruccio Pisanello und Massimo De Vittorio am IIT und an der Università del Salento sowie von Marco Grande am Politecnico di Bari koordiniert.
Das IIT verfügte bereits über Erfahrungen bei der Herstellung optischer und photonischer Verbindungen mit dem zentralen Nervengewebe und auf dem Gebiet der plasmonischen Verbindungen. Daher hat sich das italienische Zentrum auf die technologische Entwicklung von implantierbaren Geräten und auf die Optimierung plasmonischer Strukturen zur Erkennung der Beschaffenheit von Tumorgewebe konzentriert.
Das Cajal-Institut und das CNIO haben ebenfalls an der Entwicklung der Faser mitgewirkt, indem sie ihre Erfahrungen und wissenschaftlichen Arbeiten auf die mögliche Anwendung bei Alterung, Hirntumoren, traumatischen Hirnverletzungen oder der daraus resultierenden posttraumatischen Epilepsie ausgerichtet haben.
Die vollständige Liste der Autoren umfasst Muhammad Fayyaz Kashif (Politecnico di Bari), Antonio Balena (IIT-CBN), Marco Pisanello (IIT-CBN), Francesco De Angelis (IIT) und Antonella D'Orazio (Politecnico di Bari).
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Originalveröffentlichung
Pisano, F., Kashif, M. F., Balena, A., Pisanello, M., De Angelis, F., de la Prida, L. M., Valiente, M., D'Orazio, A., De Vittorio, M., Grande, M., Pisanello, F.; "Plasmonics on a Neural Implant: Engineering Light–Matter Interactions on the Nonplanar Surface of Tapered Optical Fibers."; Adv. Optical Mater. 2022, 10, 2101649.
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