3D-gedruckte akustische Hologramme gegen Alzheimer und Parkinson

Hologramme ermöglichen es, die Blut-Hirn-Schranke selektiv, effizient und zielgerichtet zu öffnen und so die Medikamentenverabreichung zu erleichtern

19.05.2022 - Venezuela

Wie Francisco Camarena, Forscher am Institut für Instrumentierung der molekularen Bildgebung, einem gemeinsamen Zentrum der UPV und des CSIC, erklärt, haben fokussierte Ultraschallsignale ein großes Potenzial für die Behandlung neurologischer Erkrankungen, da sie präzise und nicht-invasiv therapeutische Wirkungen erzeugen können. "Ihre Anwendung auf die Strukturen des zentralen Nervensystems ist jedoch aufgrund zweier Hindernisse kompliziert: die Auswirkungen der Aberration und der Dämpfung des Schädels und die komplexe und weitläufige räumliche Verteilung der tiefen Strukturen des Gehirns", so Camarena.

Die von den Forschern der UPV und des CSIC entwickelten akustischen Hologramme ermöglichen eine kontrolliertere Öffnung der Blut-Hirn-Schranke als die ausschließliche Verwendung von Ultraschall. Vor allem können sie die durch den Schädel verursachten Aberrationen korrigieren. Gleichzeitig können sie in besonders wichtigen Hirnstrukturen einen multifokalen Ultraschallstrahl erzeugen.

"Dank unserer Hologramme fokussiert und passt sich der Ultraschallstrahl beidseitig und sehr präzise an Teile des Gehirns an, die von großem therapeutischen Interesse sind, wie zum Beispiel die beiden Kerne des Hippocampus, die mit der Alzheimer-Krankheit in Verbindung stehen und eine skurrile dreidimensionale Form haben", fügt Noé Jiménez, Juan de la Cierva-Forscher an der UPV, hinzu.

Es ist das erste Mal, dass die Blut-Hirn-Schranke gleichzeitig in beiden Hemisphären geöffnet wurde. Außerdem hat das Team von UPV, CSIC und Columbia University dies mit einer Auflösung erreicht, die weit über dem Standard liegt. Dies ermöglicht eine bessere Lokalisierung des zu behandelnden Bereichs und eine Minimierung des Volumens des gesunden Hirngewebes, auf das der Ultraschall abzielt, bei gleichzeitiger Reduzierung der Kosten und der Operationszeit.

Wie funktioniert das Verfahren?

Der Ultraschallwandler ist wie ein Lautsprecher, der mit einer halben Million Schwingungen pro Sekunde vibriert. Das Hologramm wird vor ihm platziert und von der Welle durchlaufen. Gleichzeitig wird ein mit Wasser gefüllter Kegel mit dem Schädel in Kontakt gebracht, durch den sich die Welle ausbreitet, bevor sie das Gehirn des Patienten erreicht. Anschließend durchläuft die Welle das Gehirn und konzentriert sich schließlich auf den Bereich des Gehirns, der von therapeutischem Interesse ist. Zusätzlich werden Mikrobläschen in den Blutkreislauf eingebracht. Wenn die Bläschen die Kapillaren des Gehirns erreichen und mit dem Ultraschall zusammenfallen, beginnen sie zu vibrieren. Das Epithelgewebe der Blut-Hirn-Schranke beginnt nachzugeben, und es öffnen sich "kleine Risse", durch die die Moleküle der Medikamente zur Behandlung der Pathologie, die das zentrale Nervensystem betrifft, hindurchtreten.

Personalisierte und preisgünstige Hologramme

Das Hologramm wird mit einem 3D-Drucker gedruckt und für jeden Fall individuell angepasst. "Nehmen wir an, der Arzt muss eine Ultraschalluntersuchung der Amygdala des Patienten durchführen. Dazu würde er uns eine Computertomographie und eine MRT-Aufnahme des Kopfes des Patienten zur Verfügung stellen, auf der er den Behandlungsbereich identifizieren und segmentieren würde. Auf der Grundlage dieser Informationen entwerfen wir das Hologramm, das wir benötigen, um den Ultraschall der interessierenden Region zu erhalten", erklärt Sergio Jiménez, Arzt an der UPV und derzeit Mitarbeiter der Gruppe der Columbia University, der auch auf die geringen Kosten der Hologramme hinweist, deren Kosten je nach medizinischer Anwendung zwischen 40 und 300 Euro liegen würden.

Derzeit arbeitet das Forscherteam der UPV, des CSIC und der Columbia University an der Verifizierung dieser neuen Technologie zur Öffnung der Blut-Hirn-Schranke bei nicht-menschlichen Primaten. Das Team entwirft die ersten Protokolle für Experimente am Menschen zur Behandlung von Hirntumoren und zur Durchführung von Studien zur Neurostimulation des Gehirns.

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