Weltweit arbeiten Forscher, darunter auch in Deutschland, an künstlichen Sehhilfen für Blinde. In wenigen Jahren könnten erste Medizinprodukte zur Verfügung stehen. Dieser Artikel bietet einen Überblick über Technologien und den aktuellen Stand der Entwicklung.
Die Funktionsweise von Chip-Implantaten bei Blindheit
Bei blinden Menschen übernehmen implantierte Mikrochips die Funktion abgestorbener Nervenzellen der Netzhaut (Retina). Damit können diese Patienten zwar nicht scharf sehen, erhalten aber erste Seheindrücke und sind in der Lage, Lichtquellen zu orten, Gegenstände zu lokalisieren und sich räumlich zu orientieren. Nach erfolgreichen Pilotstudien wird die Entwicklung marktfähiger Medizinprodukte fortgesetzt. Solche Sehprothesen könnten in wenigen Jahren zur Behandlung von Blinden zur Verfügung stehen.
In Deutschland leiden rund 30.000 Menschen an verschiedenen Formen der Retinitis pigmentosa. Bei dieser erblichen Netzhauterkrankung erblinden die Patienten schleichend, und eine Behandlung ist bislang nicht möglich. Die Sehzellen (Stäbchen und Zapfen), die in der Netzhaut des Auges Licht in elektrische Impulse umwandeln, sterben allmählich ab. Da jedoch trotz der zerstörten lichtempfindlichen Zellen die nachgeschalteten verarbeitenden Neurone in der Netzhaut und die Verbindung der Nervenzellen zum Gehirn noch weitgehend intakt sind, können elektronische Implantate an diese Zellen ankoppeln.
Die eingesetzten Mikrochips übernehmen die Funktion der abgestorbenen Sehzellen und wandeln das Licht in elektronische Signale um. Anschließend werden die elektrischen Impulse über verbliebene Netzhautneurone und ihre Sehnervenfasern an die Sehrinde des Gehirns (visueller Kortex) weitergeleitet und dort zu einer optischen Wahrnehmung verarbeitet.
Internationale Forschung und Entwicklung
Weltweit forschen Mediziner und Medizintechniker an retinalen Sehprothesen. Noch gibt es keine nach dem Medizinproduktegesetz zertifizierten Produkte, aber es existieren bereits Funktionsmuster zu Forschungszwecken, die Patienten erfolgreich implantiert wurden. Einige Unternehmen arbeiten mit Hochdruck an der Entwicklung marktfähiger Medizinprodukte. Im Kern gibt es zwei verschiedene Ansätze, wo die winzigen mikroelektronischen Chips eingepflanzt werden: entweder auf der Netzhaut (epiretinal) oder darunter (subretinal).
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Epiretinale Implantate
Bei diesem aktiven Implantat wird eine dünne Folie mit Chips ins Auge gesetzt, über die neuronale Signale an eine Stimulationselektrodenmatrix auf der Netzhaut geleitet werden. Hinzu kommt ein externer Sender, der in ein Brillengestell integriert ist. Hier werden die aufgenommenen Bilder in Stimulationsmuster umgewandelt. Über eine telemetrische Verbindung lassen sich diese Daten und die benötigte Energie mittels Hochfrequenz zur Empfängereinheit des Implantats übertragen und entsprechend den aufgenommenen Bildern die Zellen im Auge stimulieren. Die Versorgung der Prothese mit Energie und Daten funktioniert drahtlos. Dadurch sinken die Operationszeit und die Belastung für den Patienten im Vergleich zu anderen kabelgebundenen Verfahren.
Ingenieure der RWTH Aachen und des Duisburger Fraunhofer-Instituts für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme haben Erfolge mit dem vollständig implantierbaren System „Epiret 3“ vermeldet. Im Herbst 2007 wurde Epiret 3 bei sechs blinden Patienten der Universitätsaugenkliniken Aachen und Essen für vier Wochen eingesetzt. In dieser Zeit konnten die Patienten Helles und Dunkles unterscheiden sowie Punkte und Linien erkennen.
Ein Mikrotitannagel hat sich als beste Befestigung auf der Retina erwiesen. Die elektronischen Komponenten wurden in einer Kunstlinse konzentriert, was die Masse auf der Retina verringerte. Eine Beschichtung der Stimulationselektroden mit Iridiumoxid brachte hohe Ladungsübertragungsmengen. Derzeit wird daran geforscht, die Anzahl der Elektroden von 25 auf womöglich 200 zu erhöhen, um eine bessere Auflösung der Schemen zu erzielen.
Drei mittelständische Medizintechnikfirmen gründeten unterdessen die Epiret GmbH, um das Implantat in rund drei Jahren auf den Markt zu bringen. Bis dahin soll eine neue klinische Studie abgeschlossen sein.
Auch bei dem zweiten epiretinalen Projekt gab es mit dem Unternehmen Intelligent Medical Implants mit Sitz in Bonn und der Schweiz eine Ausgründung, die nach eigenen Angaben ein marktfähiges Medizinprodukt innerhalb von zwei Jahren anstrebt.
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Zurzeit läuft die zweite klinische Studie in Kooperation mit der Universitätsaugenklinik in Hamburg sowie mit einer Augenklinik in Graz. Drei Patienten wurden bereits implantiert, und weitere Implantationen sind geplant. Die Patienten erhalten im Gegensatz zum Epiret-Projekt ihr Implantat für die Dauer von 18 Monaten eingesetzt. Hier wird eine Empfangseinheit außen auf der Lederhaut angebracht, an die ein Sender von einer Kamerabrille Kameradaten und Energie funkt. Während die Energie, die für das Implantat benötigt wird, drahtlos ins Augeninnere gesendet wird, ist eine Prozessoreinheit samt Mikrocomputer, die die Batterien für die Energieversorgung enthält, über ein dünnes Kabel mit der Brille verbunden. Parallel dazu läuft in Graz die Entwicklung an Sehtests für Patienten mit solchen Prothesen, die lernfähig sein sollen. Individuell an jeden Patienten angepasst, werde die Einstellung des Prozessors mit den Wahrnehmungen des Blinden abgeglichen.
Subretinale Implantate
Auch mit subretinalen Chip-Implantaten erhalten Patienten wieder erste Seheindrücke, wobei hier der Chip unter der Netzhaut fest haftet. Das Team um Prof. Dr. Eberhart Zrenner von der Universitätsaugenklinik Tübingen forscht hieran mit Augenärzten der Regensburger Universität und des Dresdener Universitätsklinikums. Den Chip entwickeln Ingenieure der Universität Ulm.
Der Vorteil dieses Implantats sei, dass der Chip selbst lichtempfindlich sei, das Bild an Ort und Stelle verarbeite und damit die Augenbewegung für die Ortung von Gegenständen verwenden könne, während die epiretinalen Elektrodenfelder mit Information von außen versorgt werden müssten.
Projektleiter Zrenner berichtete bereits von ersten Erfolgen. Sieben Probanden, denen ein Implantat für vier Wochen operativ unter die Netzhaut eingebracht wurde, konnten durch die elektrischen Reize Licht in bestimmten Mustern wahrnehmen. Bei guter Verträglichkeit habe es keine Netzhautablösungen, Entzündungen oder Blutungen gegeben. Hier, wie auch beim Implantat Epiret 3, wurde der Chip nach der vierwöchigen Untersuchungszeit entsprechend der Vereinbarung mit der Ethikkommission wieder entfernt.
Das drei mal drei Millimeter große Implantat ist mit 70 Mikrometern etwa so dick wie ein menschliches Haar. Es besteht aus 1.500 kleinen Fotozellen samt Schaltkreisen für Verstärkung, Helligkeitsanpassung und Sicherheitsschaltung, als Material wurde überwiegend Silizium verwendet. Für die Verweildauer in der Studie ist die Energieversorgung extern über ein ferngesteuertes Netzteil in der Größe eines Walkmans, das an einem Band um den Hals getragen werden konnte, gelaufen. Für die Medizinprodukte, die künftig auf den Markt kommen sollen, ist die drahtlose Energieversorgung über eine Spule unter der Haut hinter dem Ohr vorgesehen.
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Die Bauteile des Implantats sind auf einem flexiblen Polyimid-Bändchen fixiert. Der Chip selbst ist mit Ausnahme der Elektroden voll verkapselt. Er wird durch ein Fenster in der Lederhaut unter die Netzhaut bis in die Nähe der Stelle des schärfsten Sehens geschoben. Die Kabelverbindung wird außen auf den Augapfel aufgenäht. Die nächste Generation von Netzhautchips mit einem besseren Auflösungsvermögen könnte womöglich noch implantiert werden. Das Fernziel liegt laut Zrenner bei einer Sehschärfe, die Buchstabenerkennung erlaube. Das marktfähige Produkt entwickelt das Unternehmen Retina Implant in Reutlingen, das aus dem Ursprungskonsortium hervorgegangen ist. Nach erfolgreichem Einsatz bei Patienten mit Retinitis pigmentosa soll die Gruppe auf Kranke mit schwerer altersbedingter Makuladegeneration ausgedehnt werden.
Das Argus II Retinaprothesensystem
Das Argus II Retinaprothesensystem, auch bekannt als bionisches Auge oder Retina-Implantat, ist für die Elektrostimulation der Retina zur Anregung der optischen Wahrnehmung bei blinden Menschen bestimmt. Eine Miniaturkamera in der Brille sendet das Bild der Umwelt an einen tragbaren Mini-Computer. Dort wird das Videobild in Schaltbefehle übersetzt, die per Kabel wieder zurück in die Brille gelangen. Diese Schaltbefehle werden über eine Induktionsspule am Brillenbügel drahtlos in den Körper des Patienten gesendet. Am Augapfel sitzt eine Empfängerspule, die die Signale entgegennimmt. Der Empfänger leitet die Signale ins Innere des Auges an einen fingernagelgroßen Chip auf der Netzhaut. Gleichzeitig mit der Signalübertragung findet auch die drahtlose Energieversorgung statt. Der Netzhaut-Chip ist eine Art Matrix aus sechs mal zehn Elektroden und liegt genau auf der Netzhaut. Mit 60 Pixeln ist das Erkennen von Konturen, Mustern und Umrissen gut möglich. Das hilft den Patienten sich im Alltag zurechtzufinden.
Die elektrische Stimulation der Netzhautzellen durch den Netzhautchip sorgt dafür, dass der Patient Lichtmuster wahrnimmt. Nach einem speziellen Rehabilitationstraining kann er seine Umgebung mit der Brille „abscannen“, sich somit grob orientieren und insbesondere sich bewegende Objekte wahrnehmen. Es dauert bis zu einem Jahr, bis das Gehirn die elektrischen Impulse in Muster und Formen umwandeln kann. Daher ist die Rehabilitation auf diese Dauer angelegt.
Computer-Hirn-Schnittstellen: Eine Vision für die Zukunft
Forscher entwickeln Computer-Hirn-Schnittstellen mit Chips, die ins Gehirn implantiert werden, um Gelähmten ihre Beweglichkeit zurückzugeben. Ein Chip im Gehirn registriert elektrische Reize von den Nervenzellen des motorischen Cortex des Patienten und funkt sie an einen Computer. Der berechnet aus den elektrischen Signalen Befehle für ein Exoskelett, eine Art Ganzkörper-Korsett, das der Mann angelegt hat. So kann er allein mit seinen Gedanken die mechanischen Motoren steuern, die wiederum seine Gliedmaßen bewegen.
Es gibt auch Brain-Computer-Interfaces, für die es keinen solchen Eingriff braucht. Sie nutzen meistens das Elektroenzephalogramm (EEG), also die Möglichkeit, Hirnströme mit Elektroden auf der Kopfhaut zu messen. Allerdings sind die Möglichkeiten eingeschränkt. Schwerstgelähmte Menschen können mit dem EEG-Signal kommunizieren. Bei komplexeren Aufgaben stößt die Technik an ihre Grenzen. So lassen sich etwa Prothesen nicht so einfach steuern. Anders die invasiven Methoden: Hier können mit immer feineren Messfühlern immer mehr Daten aus dem Gehirn abgeleitet werden.
Allerdings gibt es auch medizinische Risiken: Eine Hirn-OP ist notwendig; das ist ein massiver Eingriff. Es kann zu Hirnblutungen kommen, Infektionen im Gehirn drohen. Für die derzeit gängigen Techniken braucht man zudem ein Kabel, das die Daten aus dem Chip im Hirn nach außen leitet. Durch das dauerhaft offene Loch im Schädel könnten weitere Komplikationen folgen. Die Forscher entwickeln Techniken, um die Daten per Funk vom Chip durch die Schädeldecke hindurch zum Computer zu transportieren.
Neuralink und der Chip im Gehirn
Tech-Milliardär Elon Musk gab bekannt, seine Firma Neuralink habe einem Mann mit Querschnittlähmung einen Chip ins Gehirn implantiert. Der Gehirn-Chip von der Größe einer Münze wurde dem Mann im Rahmen einer Studie in eine Hirnregion implantiert, die für Bewegungen zuständig ist. Dabei registrieren die mit dem Chip implantierten Elektroden die Aktivität dieses Gehirnareals. So sollen Patientinnen und Patienten beispielsweise einen Computer oder ein Smartphone bedienen können, allein, indem sie sich dies vorstellen.
Neuartig bei Musks Firma Neuralink ist die Elektrodentechnologie. Das System besteht aus bis zu 1024 Einzeldrähten und damit aus viel mehr und viel dünneren Elektroden als bei anderen Ansätzen. Der Chip wird mit einem vollautomatischen Implantationsroboter eingesetzt. Eine weitere Neuerung: Die Daten des Implantats werden durch die Schädeldecke kabellos übertragen. Das senkt das langfristige Infektionsrisiko. Bislang ist allerdings nicht klar, wie lange die Elektroden funktionsfähig bleiben.
Ethische Aspekte
All diese Visionen werfen viele ethische Fragen auf. Das Gehirn ist der Träger unserer Individualität, unserer Persönlichkeit. Wenn nun Chips im Hirn unser Denken und Handeln beeinflussen, dann wird die Trennung kaum mehr möglich sein, was Mensch ist und was Technik.
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