Leicht zu installierende, biologisch abbaubare Elektrode bietet eine minimal-invasive Überwachung des Hirnstroms.

25. August 2024 Feature

Dieser Artikel wurde gemäß dem redaktionellen Prozess und den Richtlinien von Science X überprüft. Die Herausgeber haben die folgenden Merkmale hervorgehoben, während sie die Glaubwürdigkeit des Inhalts sicherstellten:

• Faktenüberprüft
• Peer-Review-Publikation
• Vertrauenswürdige Quelle
• Korrekturgelesen

von Ingrid Fadelli, Medical Xpress

Sensoren, die leicht und sicher in das Gehirn eingeführt werden können, könnten wichtige medizinische Anwendungen haben und auch zur Entwicklung von Gehirn-Schnittstellen-Geräten beitragen. Obwohl bereits bedeutende Fortschritte bei der Entwicklung dieser Sensoren erzielt wurden, können die meisten bestehenden Geräte nur über invasive chirurgische Eingriffe eingesetzt werden, die zahlreiche Komplikationen haben können.

Forscher der Seoul National University und anderer Institute in Südkorea haben kürzlich eine neue biologisch abbaubare und selbstentfaltende Zeltelektrode entwickelt, die viel einfacher auf die Oberfläche des menschlichen Gehirns aufgebracht werden könnte. Ihr vorgeschlagenes Elektroden-Design, das in Nature Electronics skizziert wird, könnte sich im menschlichen Körper auf natürliche Weise zersetzen, ohne Rückstände zu hinterlassen, was bedeutet, dass es nach dem Einsetzen nicht chirurgisch entfernt werden muss.

'Unser jüngster Artikel entstand aus dem wachsenden Bewusstsein für die klinischen Herausforderungen, die mit der Implantation von Elektroden über invasive Hirnchirurgie verbunden sind', sagte Seung-Kyun Kang, korrespondierender Autor des Artikels, zu Medical Xpress.

'Konventionelle Großflächenelektroden erfordern eine umfangreiche Schädelausbohrungschirurgie zur Implantation im Gehirn, was erhebliche Risiken wie Blutungen, Schwellungen, Leckagen von Hirn-Rückenmarksflüssigkeit oder Infektionen darstellen könnte. Nach der Verwendung können übrig gebliebene Elektroden auf dem Gehirn unerwünschte Immunreaktionen oder Infektionen durch Biofilmbildung auslösen und ein sekundärer Eingriff zur Entfernung erforderlich machen.'

Die vom Team entwickelte Zeltelektrode ist ein Sensorgerät mit pyramidenförmigem Design, das typischerweise zur Erfassung elektroenzephalografischer (EEG) Aufzeichnungen und anderer neurophysiologischer Daten verwendet wird.

'Die von uns entwickelte elektronische Zeltelektrode kann mit einer Spritze minimalinvasiv eingesetzt werden, um Hirnaktivitäten zu messen, und kann dann nach Gebrauch dazu gebracht werden, sich im Körper aufzulösen und zu verschwinden', sagte Kang. 'Unsere Technologie ist besonders vielversprechend für präzise Diagnosen wie die Diagnose von Epilepsie sowie für neuroprothetische Anwendungen und Gehirn-Computer-Schnittstellen, die eine Schnittstelle zu verschiedenen Hirnregionen erfordern.'

Die Elektrode des Teams hat eine zeltartige Struktur, die einfach verpackt und entfaltet werden kann. Das Gerät besteht teilweise aus Formgedächtnispolymeren; flexiblen Materialien, die nach dem Ziehen oder Zusammenquetschen in eine schmale Umhüllung ihre ursprüngliche Form wiedererlangen können. Durch die Eigenschaften dieser Materialien können die Elektroden leicht in enge Räume auf der Hirnoberfläche durch ein kleines Loch eingeführt werden.

'Wir haben auch biologisch abbaubare anorganische elektronische Sensoren mit Nanometerdicke in ein elektronisches Zelt integriert, um Flexibilität zu bieten', erklärte Kang. 'Dank der mechanischen Flexibilität der Sensoren konnten wir verschiedene elektronische Geräte ohne Beschädigung der Sensoren während der Injektion zur Messung verschiedener neurophysiologischer Signale aus dem Gehirn liefern.'

Erste Tests zur Bewertung der Leistung der Team-Zeltelektroden zeigten, dass sie ihre elektrische Leistung während ihrer Lebensdauer beibehalten können und sich nach Gebrauch vollständig zersetzen, ohne Rückstände zu hinterlassen. Während des Betriebs können die Sensoren elektrische Aktivitäten um sie herum aufzeichnen und die gesammelten Daten an andere Geräte übertragen.

Da sie biologisch abbaubar und ungiftig sind, müssten die von Kang und seinen Kollegen entwickelten neuen Sensoren nicht entfernt werden, nachdem sie im menschlichen Körper eingeführt wurden. Diese Eigenschaft ist für eine Vielzahl von Anwendungen in der realen Welt äußerst attraktiv, von der Präzisionsmedizin bis zur Entwicklung sicherer Gehirn-Computer-Schnittstellen (BCIs).

'Das elektronische Zelt kann zur Diagnose von Epilepsie verwendet werden, die eine großflächige Kartierung erfordern kann, um betroffene Bereiche zu lokalisieren', sagte Jae-Young Bae, Hauptautor des Artikels. 'Epileptische Anfälle betreffen in der Regel komplexe Netzwerke von Hirnregionen, die oft tief im Gehirn liegen. Elektroden in diese tiefen und vielfältigen Regionen zu platzieren, um die Ursprünge von Anfällen zu lokalisieren, kann zu erheblichen Schäden führen. Darüber hinaus ist oft eine längere Überwachung erforderlich, da Anfälle nicht konstant sind.'

Existierende Methoden zur Diagnose von Epilepsie beinhalten das Mapping der Hirnaktivität über festgelegte Zeiträume, typischerweise etwa zwei Wochen. Dies wird oft mit Elektroden durchgeführt, die erfassen können, was im gesamten Gehirn passiert, so dass Ärzte den Ursprung der Anfälle, die die Patienten erleben, lokalisieren können.

Sobald Ärzte in der Lage waren, Epilepsie zu diagnostizieren oder andere Ursachen für die Anfälle eines Patienten identifiziert haben, können sie geeignete therapeutische Interventionen planen. Bevor sie das tun können, müssen sie jedoch die implantierten Elektroden aus dem Gehirn des Patienten chirurgisch entfernen.

'Unser biologisch abbaubares elektronisches Zelt könnte die chirurgische Belastung, die mit der Implantation von großflächigen Mapping-Elektroden verbunden ist, reduzieren und die Notwendigkeit für eine sekundäre Entfernungsoperation beseitigen,' erklärte Bae. 'Die Zeltelektrode könnte somit eine minimal-invasive diagnostische Lösung im Vergleich zu herkömmlichen Methoden bieten, die eine großflächige Schädelentfernung für die Elektrodeninsertion erforderten.'

Neben der potenziellen Erleichterung der Diagnose von Epilepsie und anderen gehirnbezogenen Zuständen könnten die neuen Zeltelektroden auch zur Entwicklung von Brain-Computer-Schnittstellen (BCIs) verwendet werden. Dies sind aufkommende Schnittstellen, die die Mensch-Maschine-Interaktion verbessern und zur medizinischen Rehabilitation von Patienten beitragen könnten.

'Zum Beispiel kann BCI bei der motorischen Erholung von Schlaganfallpatienten helfen und die Steuerung von Neuroprothesen oder externen Robotersystemen ermöglichen,' sagte Bae. 'Großflächige BCI sind empfindlicher und können das umfassende Mapping von Hirnregionen ermöglichen, was eine genauere Lokalisierung der neuronalen Aktivität ermöglicht, die Erforschung komplexer Hirnfunktionen unterstützt und die Ausrichtung auf therapeutische Interventionen verbessert. Allerdings sieht sich die BCI-Technologie Herausforderungen durch Risiken im Zusammenhang mit invasiven Verfahren gegenüber. Wir erwarten, dass die Zeltelektrode das Risiko bei der Verwendung in der BCI-Technologie minimieren kann.'

Diese jüngste Arbeit von Kang und seinen Kollegen könnte bald zur Entwicklung sicherer BCIs und implantierbarer Geräte zur Diagnose verschiedener medizinischer Zustände beitragen. Im Rahmen ihrer nächsten Studien planen die Forscher auch, die Möglichkeit der Verwendung verschiedener bioabbaubarer Materialien zur gezielten therapeutischen Intervention, wie z.B. Chemo- und Phototherapie, zu untersuchen.

'In Zukunft beabsichtigen wir auch, mit klinischen Partnern zusammenzuarbeiten, um unsere biologisch abbaubare elektronische Zelttechnologie in klinische Anwendungen zu testen,' fügte Kang hinzu. 'Dies wird es uns ermöglichen, Feldversuche in medizinischen Umgebungen durchzuführen, um die Leistung und das Abbauverhalten unserer Technologie außerhalb von Laborumgebungen zu bewerten. Letztendlich ist unser Ziel, diese biologisch abbaubare Elektronik in medizinische Geräte zu integrieren, um minimal-invasive diagnostische oder therapeutische Lösungen zu schaffen.'

Weitere Informationen: Jae-Young Bae et al, A biodegradable and self-deployable electronic tent electrode for brain cortex interfacing, Nature Electronics (2024). DOI: 10.1038/s41928-024-01216-x

© 2024 Science X Network