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Das programmierbare, implantierbare Reizstromgerät

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Das programmierbare, implantierbare Reizstromgerät

Implantierbare Hirnstimulatoren in Serie

"Chronische tiefe Hirnstimulation im Parkinson-Modell der Ratte": der Stimulator in Serie

In Zusammenarbeit mit Prof. Dr. A. Kupsch, Dr. D. Harnack, Klinik für Neurologie, CharitéCentrum 15 für Neurologie, Neurochirurgie und Psychiatrie, CCM/CVK

Die Parkinson'sche Erkrankung ist die zweithäufigste neurodegenerative Erkrankung (mit über 200.000 in Deutschland betroffenen  Patienten), die durch einen voranschreitenden Untergang von dopaminhaltigen Nervenzellen im Mittelhirn gekennzeichnet ist. Der daraus resultierende Mangel am Gehirnbotenstoff Dopamin wird für die typischen Symptome der Erkrankung (Ruhezittern, Steifheit und erschwerte Beweglichkeit) verantwortlich gemacht. Im Rahmen einer medikamentösen Ersatztherapie kann dieser Mangelzustand zunächst sehr gut behandelt werden. Im Verlauf der Erkrankung kommt es jedoch zunehmend zu einer reduzierten medikamentösen Ansprechbarkeit, weshalb alternative Therapieverfahren notwendig wurden.

Die Therapie mittels eines sog. "Hirnschrittmachers" stellt eine solche Alternative dar und gilt als ein seit Mitte der 1990er Jahre etabliertes und effektives Therapieverfahren.

Bereits 1999 entstand daher die Idee, das klinisch zunehmend genutzte  Stimulationsverfahren in das Tierexperiment zu übertragen und zwar unter Berücksichtigung der gleichen Bedingungen wie in der humanen Situation (u.a. im Hinblick auf die Implantierbarkeit, die externe Programmierbarkeit, und das Stimulationsprotokoll). Konsequenterweise wurde daraufhin ein miniaturisierter Impulsgenerator für die Applikation stromkonstanter Impulse mit fixer Frequenz (ca.130Hz) und Pulsweite (ca. 52µs) entwickelt.

Der erste Prototyp stand dann 2001 zur Verfügung. Obgleich hiermit erstmals eine kontinuierliche Stimulation über mehrere Tage möglich war, erwies sich das System jedoch als nicht ausreichend biokompatibel. Neben den verwendeten Stimulationselektroden (stainless-steel) war der monophasische (bzw. unidirektionale) Strommodus dafür verantwortlich zu machen.

Ein Nachfolgemodell stand dann 2002/03 zur Verfügung und zeichnete sich durch eine ladungsbalancierte Stromapplikation mittels alter-nierender Impulse aus. Bis Ende 2003 konnten die Geräte zunächst unter in-vitro Bedingungen ausreichend getestet werden und zeichneten sich durch eine zuverlässige Umsetzung der programmierten Stimulations-protokolle aus.

Ab 2004 begannen die in-vivo Versuche mit eigens dafür entwickelten miniaturierten Stimulationselektroden (Platin/Iridium). Obwohl sich die Geräte im Hinblick auf die Stromversorgung und die damit verbundene Höchstdauer der Stimulation (max. 5 Wochen) in-vitro als zuverlässig erwiesen, waren bei den Tierversuchen zunächst frühzeitige Funktions-ausfälle der Geräte zu verzeichnen. Da diese unter anderem mit einer insuffizienten Isolation der Geräte assoziiert waren, stand seither eine Verbesserung der Vergießung und der Flüssigkeitsabschirmung im Zentrum der Weiterentwicklung des Systems.

Im Jahre 2005 wurde diesbezüglich zunächst ein passgenauer Überzug aus vulkanisiertem Silikon entwickelt.

Ein Jahr später wurde zudem ein neues Einbettungsmedium für den Verguss des Impulsgenerators verwendet. Unter Verwendung dieser Modifikationen und eines neuen speziellen Kabelsystems konnten seit 2006 Serien von Experimenten zur chronischen tiefen Hirnstimulation durchgeführt werden. Dabei wurden mehrere tierexperimentelle Studien im Parkinson-Modell der Ratte durchgeführt.

Seit 2009 laufen drei weitere Studien in diesem Tiermodell. Weitere Entwicklungen des Stimulationssystems bestanden in der Entwicklung eines externen Ableitgerätes zur Detektion der Stimulation im Tier und einer Lithiumionen-Batterie, dadurch wurde das Gerät noch flacher.