Zusammenhang zwischen sensorischen Neuronen und Immunsystem

Schmerz ist ein Schutzmechanismus, der uns über die Erzeugung eines unangenehmen Gefühls vor Gefahren warnt. Spezielle sensorische Neuronen, die mit anderen sensorischen und motorischen Neuronen in den peripheren Nerven verwoben sind, übertragen ein Warnsignal ans Rückenmark. Wenn eine Verletzung nicht verhindert werden kann, entsteht eine Entzündung in Form von Rötungen, Schwellungen und Schmerzen. «Lange glaubte man, dass Schmerzen und Entzündungen unterschiedliche Prozesse seien, die unabhängig voneinander ablaufen. Es war noch nie nachgewiesen worden, dass die sensorischen Fasern, die den Schmerz auslösen, eine Entzündung verursachen können», sagt Frédéric Michoud, Postdoktorand an der EPFL. Eine solche neuroimmune Wechselwirkung hätte Folgen für künftige Entzündungsbehandlungen, und ihre Untersuchung mithilfe der neuen Technologie zeigt, dass dies der Fall ist.

Selektive Stimulierung der sensorischen Neuronen durch Licht

Die Optogenetik ist eine Technik, mit der die Aktivität genetisch ausgewählter Neuronen durch Beleuchten moduliert werden kann. Sie hat die Neurowissenschaften revolutioniert: Bisher wurde hauptsächlich das Gehirn untersucht, da die Anwendung der Optogenetik auf die Neuronen der peripheren Nerven schwieriger ist. «Die Herausforderung bestand darin, einen technologischen Ansatz zu entwickeln, mit dem eine wiederholte optische Stimulierung bzw. Beleuchtung möglich ist, ohne den Nerv zu schädigen oder das Verhalten des Tiers zu verändern», erklärt Prof. Clifford Woolf von der Harvard Medical School bzw. dem Boston Children's Hospital.

Optoelektrisches Implantat am Ischiasnerv

Forscherinnen und Forscher am EPFL-Lehrstuhl der Bertarelli-Stiftung für Neuroprotesentechnologie haben ein biegsames Implantat entwickelt, das um den Ischiasnerv gewickelt wird und auf Verlangen blaue Lichtimpulse abgibt. «Wir haben mehrere elektrolumineszierende Dioden in dieses biegsame Implantat eingebaut. Der Vorteil besteht darin, dass wir die Beleuchtung elektrisch steuern können», sagt Stéphanie Lacour, Professorin an der Fakultät für Ingenieurwissenschaft und Technologie. Das Implantat ist über ein unter der Haut verlegtes Kabel mit einem auf dem Kopf von Mäusen angebrachten elektronischen System verbunden. «Unsere Kolleginnen und Kollegen von der ETH Zürich haben einen miniaturisierten Chip gebaut, um die implantierten Dioden zu steuern. Dieser Chip ist energiearm und in eine Drahtlosschnittstelle integriert. Mit diesem System können wir unabhängig von dem, was das Tier tut, genau steuern, wann und wie das Implantat aktiviert wird», erklärt die Forscherin. Die Kontrolltests haben bestätigt, dass das optoelektrische Implantat überhaupt keinen Einfluss auf das Verhalten der Tiere hat und keine Nebenwirkungen zeitigt.

Auslösung und Verstärkung der Entzündung durch Aktivierung der sensorischen Fasern

Zur Überraschung der Forscherinnen und Forscher führt die wiederholte optische Stimulierung der spezifischen sensorischen Neuronen im Nerv zu einer leichten Rötung am Hinterlauf der Tiere. Dies ist ein klares Anzeichen einer Entzündung, was quantifizierte Analysen der Immunzellen in den Hautproben bestätigten. «Unsere Studie hat die seit Langem gestellte Frage beantwortet, ob die Neuronen, die den Schmerz erzeugen, auch die Ursache von immunvermittelten Entzündungen sind. Die Antwort lautet ganz klar ja», sagt Clifford Woolf abschliessend.

Diese implantierbare, miniaturisierte Neurotechnologie ebnet den Weg für zahlreiche andere Studien, mit denen die Forscherinnen und Forscher die peripheren und zentralen neuronalen Schaltkreise entschlüsseln und besser verstehen und vielleicht sogar künftige Ansätze entwickeln können, um Syndrome wie chronische Schmerzen oder anhaltende Entzündungen zu behandeln.