Dissertation

Tierärztliche Hochschule Hannover / Bibliothek – School of Veterinary Medicine Hannover / Library

 

Odett Kaiser

 

Cell-based drug delivery to optimise the electrode-nerve interface

 

NBN-Prüfziffer

urn:nbn:de:gbv:95-104012

title (ger.)

Zell-basierte Faktorapplikation zur Optimierung der Schnittstelle zwischen Nerv und Elektrode

publication

Hannover, Tierärztliche Hochschule, Dissertation, 2013

text

http://elib.tiho-hannover.de/dissertations/kaisero_ws13.pdf

abstract (deutsch)

Eine Hörstörung führt zwangsläufig zu einem Verlust der Lebensqualität. Die Wiederherstellung des Gehörs mittels auditorischer Neuroprothesen bietet eine der Therapien mit high-end Technologie des 20. und 21. Jahrhunderts. Trotz der technologischen Entwicklungen ergeben sich einige Limitationen, die der Klärung auf biologischer Basis bedürfen. Hochgradiger Schwerhörigkeit liegt ein Verlust des sensorischen Epithels zu Grunde, welcher wiederum die Degeneration der Spiralganglienneurone (SGN) bedingt. Das Hauptziel ist daher die Verbesserung der Voraussetzungen für die elektrische Stimulation u.a. der verbliebenen SGN mittels auditorischer Implantate.

In dieser Studie wurden erstmals die neuroprotektiven Effekte des Wachstumsfaktors Aktivin A sowie die Expression seiner korrespondieren Rezeptoren in SGN gezeigt. Um die intrazellulären Signalwege zu aktivieren, bindet Aktivin an den dimeren Typ II Rezeptor, welcher wiederum den dimeren Typ I Rezeptor rekrutiert; zusammen wirken sie als aktives Tetramer. Insbesondere die Kombination von Aktivin mit brain-derived neurotrophic factor (BDNF) und Erythropoietin (EPO) konnte ein signifikanter Prozentsatz der eingesäten Neurone (bis zu 60 %) vor Apoptoseprozessen geschützt werden. Die Hemmung des Signalweges von EPO führte zu einer Reduktion der neuronalen Überlebensraten. Diese entsprachen denen der kombinierten Therapie mit BDNF und Aktivin A. Da EPO in Kombination entweder mit BDNF oder mit Aktivin A keine weitere Verstärkung der Neuroprotektion erwirkt, kann davon ausgegangen werden, dass hier ein synergistisches und kein additives Zusammenspiel aller Faktoren vorliegt.

Die Insertion von Elektroden zur elektrischen Stimulation des cochleären Nukleus stellt auf Grund seiner anatomischen Lokalisation im Hirnstamm eine Herausforderung dar. Auf Grund einfacher Diskriminierung des inferioren Colliculus (IC) vom umgebenden Gewebe ist die Lokalisation des zentralen Kerns des IC und somit eine Elektrodeninsertion eine vielversprechende Alternative. Daher wurde in der vorliegenden Studie erstmalig eine dissoziierte IC Kultur etabliert, in der alle relevanten Zelltypen enthalten sind: Neurone und Gliazellen. Solch ein Zellkultursystem dient als Basis für Untersuchungen hinsichtlich der Neuroprotektion im zentralen auditorischen System und der Reduktion der Glianarbe.

Für die Langzeit-Applikation neurotropher Faktoren erscheinen Zell-basierte Systeme zur Faktorbereitstellung attraktiv. Zellen, die die Zielstrukturen der neuroprothetischen Implantate mit neurotrophen Faktoren versorgen, können mittels Elektrode lokal eingebracht werden. Dieser Ansatz wird bereits in einigen Studien für das Innenohr verfolgt, ist aber bislang nicht für zentrale auditorische Implantate beschrieben. Die Dreifach-Kombination der Faktoren, die in dieser Arbeit als besonders neuroprotektiv identifiziert wurden, stellt eine potentielle Substanz dar, die zellvermittelt verabreicht werden kann. Dieser Ansatz der Zellbeschichtung von Oberflächen soll in die Entwicklung sogenannter Biohybrid-Elektroden münden. Die so entwickelten biomimetischen Oberflächen können eine bessere Biokompatibilität sowie die Reduktion der Fremdkörperreaktion gewährleisten.

Werden solche biologischen und physikalischen Oberflächenmodifikationen in die klinische Anwendung überführt, könnte eine deutliche Verbesserung des Hörens, welches sowohl mit cochleären als auch mit zentral-auditorischen Neuroprothesen möglich ist, erzielt werden.

abstract (englisch)

Hearing loss drastically impairs the quality of life. Restoration of the hearing sensation with auditory prostheses is emerging as one of the high end technology therapies in the 20th and 21st century. Despite the advances in technology, several limitations have been described that are based on biological challenges. Sensorineural hearing loss is characterized by the loss of sensory cells followed by a progressive degeneration of spiral ganglion neurons (SGN). The overall aim is thus the improvement of the preconditions for electrical stimulation - of the remaining SGN - in auditory implants. In the herein presented thesis, this was implemented by the identification of novel factors as well as combinatorial approaches for neuroprotection.

Neuroprotective properties of the growth factor activin A as well as its corresponding receptors were revealed on SGN for the first time. In order to activate the intracellular signalling cascade, activin binds to its the dimeric type II receptor. This binding activates the dimeric type I receptor to form an active tetrameric complex. Especially when activin A was applied in combination with brain-derived neurotrophic factor (BDNF) and erythropoietin (EPO), a high percentage of the seeded neurons (up to 60 %) were prevented from apoptosis with activin A. Inhibition of the EPO pathway resulted in a neuronal survival comparable to the double combination (activin A with BDNF). Since EPO does not enhance the neuroprotective effects of activin A or BDNF when applied as a double combination, we may conclude that the combinatorial code of factors act in a synergistic rather than in an additive manner.

For electrical stimulation, the insertion of electrodes into the cochlear nucleus is challenging according to its anatomical localization within the brain stem. By contrast, the central nucleus of the IC is anatomically easy to distinguish and to access making the implantation of auditory prosthesis into the midbrain a novel and interesting alternative. Thence, a primary dissociated culture of the rat inferior colliculus (IC) was established for the first time, revealing all relevant cell types of the IC: neurons and glial cells. Such a culture system can serve as basis for investigations concerning neuroprotection in the central auditory system as well as in order to reduce gliosis.

For long-term drug delivery of neurotrophic factors, a cell-based application system can be used. Cells providing the neuronal structures to be excited with neurotrophic factors can be delivered via the electrode. This has been investigated for the cochlea in some studies; however, it has not been reported for the central auditory pathway so far. The factor combination investigated in the present thesis seems to be a promising candidate for a drug locally delivered by cells. Such cell-coatings of the electrode surface shall disembogue in the development of biohybrid electrodes furthering the biocompatibility by the creation of a biomimetic surface.

Translating biological and physical modifications of electrode surfaces in the clinic in the long term, we may be able to enhance the outcome of patients with cochlear and retrocochlear hearing loss treated with auditory neuroprostheses.

keywords

Activin A, Innenohr, Colliculus inferioris, activin A, inner ear, Inferior colliculus

kb

3.569