Hörimplantate mit Mikro-LEDs zur optogenetischen Reizübertragung

Der OSRAM Podcast: Episode #8 mit Prof. Dr. Ulrich Schwarz


Herzlich willkommen zum Photonstudio, dem Podcast von OSRAM. Mein Name ist Karin Steinmetzer. Heute geht es um das Thema Kann man Licht hören? Dafür begrüße ich Prof. Dr. Ulrich Schwarz. Er ist Professor für experimentelle Sensorik und Optoelektronik an der Technischen Universität Chemnitz. Er ist Mitbegründer des Startups OptoGenTech und ist schon viele Jahre über Forschungsprojekte mit OSRAM verbunden. Ich habe ja schon viele Anwendungen von LEDs kennengelernt.

Zum Beispiel tragen wir viele davon in unserem Handy herum. Zunehmend auch am Körper als Display und Sensoren, zum Beispiel in Form von Fitness Trackern.Ulrich Schwarz hat es sich zur Aufgabe gemacht, einen Schritt weiter zu gehen. Sein Forschungsfeld sind implantierbare LEDs. Darüber möchte ich heute mit ihm in München sprechen.

Karin: Herzlich willkommen Uli!

Ulrich: Grüß dich! Das freut mich natürlich sehr, dass du dich für das Thema interessierst!

Karin: Die spannendste Frage gleich zuerst: Kann man Licht hören?

Ulrich: Menschen können Licht noch nicht hören. Mäusen haben wir das inzwischen schon beigebracht, dass sie auf Licht reagieren, wie auf einen akustischen Stimulus.

Karin: Für was kann man das brauchen? Was ist das Anwendungsfeld, das ihr dabei im Visier habt?

Ulrich: Unsere Vision ist, dass wir ein neuartiges Hörgerät für schwer hörgeschädigte Menschen entwickeln, welches die bisherige Technologie ersetzt und einen Höreindruck erlaub, der sehr viel realer ist, als man es mit dem konventionellen Cochlea-Implantat schafft.

Karin: Wie wird aktuell schwer hörgeschädigten Menschen geholfen und was möchtet ihr anders machen?

Ulrich: Es geht meist darum, dass im Innenohr die Haarzellen zerstört sind, aber die Nervenzellen noch intakt sind und auch die Leitungen vom Innenohr ins Hirn intakt sind. Die Frage ist, wie regt man jetzt diese Nervenzellen im Innenohr an? Das sehr erfolgreiche, konventionelle Cochlea-Implantat macht das mit elektronischen Impulsen. Es regt im Innenohr die Nervenzellen in bestimmten Bereichen der Cochlea elektrisch an.

Karin: Was ist die Cochlea?

Ulrich: Die Hörschnecke! Das ist eine Spirale, an der entlang die Nervenzellen sitzen. Und wenn die angeregt werden, dann kommt das im Hirn an, wie wenn das ein akustischer Reiz wäre. Auch wenn die Haarzellen nicht mehr existieren.

Karin: Von wieviel Menschen sprechen wir hier? Wen betrifft das alles?

Ulrich: Aktuell tragen bereits 700.000 Menschen weltweit ein Cochlea-Implantat. Die haben sozusagen diesen Knopf außen am Sitzen, zusätzlich zu einem Hörgerät, das am Ohr sitzt. Dort wird Schall aus der Umgebung aufgenommen, wird in Frequenzkanäle aufgeteilt, induktiv an die implantierte Elektronik übertragen und von dort ins Innenohr, in diese Hörschnecke geleitet, wo Nervenzellen angeregt werden.

Karin: Und was kann jetzt Licht besser als Strom? Also konkret: was kann ein optisches Cochlea-Implantat besser als ein elektrisches Cochlea-Implantat?

Ulrich: Das elektrische Cochlea-Implantat kann ungefähr acht bis zehn Frequenzkanäle anregen. Das liegt daran, dass sich diese Stromimpulse im Ohr relativ weit ausbreiten. Licht kann sehr viel besser konzentriert werden. Das heißt, wir können dann bis zu 100 Frequenzkanäle oder mehr im Ohr anregen.

Karin: Kannst du das ein bisschen veranschaulichen? Wie hört sich das an?

Ulrich: Mit einem konventionelles Cochlea-Implantat, das wirklich nur diese 10 Frequenzkanäle hat, kann man Sprache verstehen, wie wenn man das durch ein enges Ofenrohr spricht. Musik hört man eigentlich gar nicht. Das Sprachverständnis geht, aber ich kann keine männlichen und weiblichen Stimmen unterscheiden. Ich kann Frage und Antwort nicht hören. Ich kann Sprecher nicht unterscheiden. Und vor allem wenn mehrere Personen sprechen oder Hintergrundgeräusche vorhanden sind, dann ist die Sprache sehr schnell unverständlich mit einem konventionellen Cochlea-Implantat, weil uns die Frequenzauflösung fehlt.

Karin: Das heißt mit einem optischen Cochlea-Implantat wäre auch Musikgenuss perspektivisch wieder möglich?

Ulrich: Genau, das ist unsere Hoffnung. Also ein sehr viel besseres Sprachverständnis und auch ein Musikverständnis.

Karin: Und wie wird diese feine Frequenzauflösung erreicht? Brauche ich dafür jetzt ganz viele Farben? Also einen Regenbogen im Ohr entlang der Gehörschnecke oder wie kann ich mir das vorstellen?

Ulrich: Die Übersetzung von spektralen Farben in Tonhöhen ist eine schöne Vorstellung, aber so ist das nicht. Im Innenohr sind ja diese Tonhöhen entlang dieser Hörschnecke kodiert. Die hohen Töne sind am Eingang der Cochlea und die tiefen Töne dann an der Spitze der Spirale. Und je nachdem wo man jetzt anregt, kann man eben unterschiedliche Tonhöhen empfinden. Das nennt man tonotopisch, also die Tonhöhe wird am Nervenort festgelegt. Und man fängt immer mit einer Farbe an, da gibt's verschiedene Ansätze, blau oder rot. Die Tonhöhe und die Frequenzauflösung kommen daher, wie viele unterschiedliche Orte man separat anregen kann. Und mit Licht geht das halt sehr viel feiner aufgelöst, weil sich das Licht nicht so weit ausbreitet in der Cochlea.

Karin: Nun sind die Nervenzellen im Ohr nicht von Natur aus lichtsensitiv, man braucht sozusagen einen Lichtschalter. Dafür muss man ja nachhelfen...

Ulirch: Genau, dazu bauen wir Ionen-Kanäle in die Membranen der Nervenzellen ein, die auf Licht reagieren und dadurch einen Ionenfluss zwischen der inneren und äußeren Zelle erstellen und auf diese Weise die Nervenzellen schalten. Das heißt: dann reagieren sie auf Licht, mit einem Nervenpuls.

Karin: Muss ich das öfters wiederholen oder bleibt es ein Leben lang?

Ulrich: Dieses ganze Gebiet heißt Optogenetik. Diese Schallzellen kommen übrigens ursprünglich aus Algen, die damit ganz grob oben unten erkennen. Und der Vorteil von Nervenzellen ist, dass die sich nicht erneuern. Nervenzellen bleiben ein ganzes Leben erhalten. Das ist natürlich auch der Nachteil, wenn Nervenzellen geschädigt sind, dann bleiben sie geschädigt. Für uns ist es hier ein Vorteil. Das heißt, wenn diese Proteine eingebaut sind in die Zellmembran der Nerven, dann bleibt das erhalten.

Karin: Damit ist auch klar, es geht jetzt nicht nur um die Halbleiterseite, sondern das Thema hat eine ganz starke biomedizinische Komponente. Wer deckt denn diesen Bereich ab? Du bist der Experte für Halbleiter, aber wer deckt den medizinischen Teil ab?

Ulrich: Medizin war ja eigentlich der erste Impuls. Unser Kollege Professor Tobias Moser von den auditorischen Neurowissenschaften an der Universitätsklinik Göttingen hat die wesentlichen Vorarbeiten dazu gemacht. Der hat erst nachgewiesen, dass Optogenetik im Ohr funktioniert und das man diese Nervenzellen sensitiv für Licht machen kann. Auch die ganzen präklinischen Untersuchungen laufen in seiner Gruppe. Das ist wirklich ein im besten Sinne interdisziplinäres Projekt. Und zwar nicht nur, dass hier Mediziner und Optoelektronik Physiker zusammenarbeiten, sondern auch innerhalb der Disziplinen. Auf der medizinischen Seite ist es die Molekularbiologie und die Neurowissenschaften. Auf unserer Seite ist es die Optoelektronik, also die Lichtquellen und die Mikrosystemtechnik, die wir brauchen, um diese Implantate zu erzeugen. Also es ist ein sehr breites Gebiet.

Karin: Ja spannend! Ich würde es dann trotzdem ein bisschen auf den Halbleiter fokussieren, weil das ja der Bereich ist, der uns insbesondere interessiert. Wie eingangs schon gesagt, LEDs werden ja vielseitig eingesetzt, auch am Körper, aber bisher noch nicht im Körper. Damit LEDs implantiert werden können, welche Anforderungen müssen Sie erfüllen?

Ulrich: Also zuallererst müssen sie winzig sein. Wir reden jetzt hier von Leuchtdioden mit einer Fläche von 50 x 50 Mikrometer im Quadrat, die dann in ein flexibles Band eingebaut werden. Also es werden 100 oder mehr diese Leuchtdioden, in ein ganz kleines Plastik Bändchen eingebaut, um das dann in das Innenohr hineinzubringen. Da war völlig klar, solche LEDs gibt es nicht, eine Eigenentwicklung ist daher notwendig. Diese leitet sich ab von der Dünnfilm-Leuchtdioden-Technologie, die auch zum Zukunftspreis von OSRAM geführt hat. Wir arbeiten ja schon ganz lange mit OSRAM in den verschiedensten Projekten zusammen und unsere erste große Aufgabe war, diesen Dünnfilm-Prozess zu übertragen, sodass man die Leuchte nicht nur noch kleiner machen kann, sondern eben auch mit diesem Polymeren integrieren kann.

Karin: Also auf flexible Substrate?

Ulrich: Flexible Substrate sind Polymere und die vertragen natürlich nur sehr viel geringere Prozesstemperaturen wie konventionelle Substrate aus Halbleitern. Das war eine Menge Prozesstechnologie dahinter...

Karin: Wenn ich kurz nachhacken darf: sie müssen zum einen winzig sein, flexibel und ziemlich lange halten. Richtig?

Ulrich: Genau, das ist die nächste, sehr große Herausforderung. Idealerweise wird ein Implantat bei einem kleinen Kind im ersten Lebensjahr implantiert, damit sich auch im Hirn die ganzen Strukturen entwickeln können, die wir brauchen, um zu hören. Und das heißt, das Implantat muss mindestens 80 Jahre im Körper halten. Das ist eine große Herausforderung.

Karin: Und was ist der nächste Schritt auf dem Themenfeld von Professor Moser? Also biomedizinisch gesehen und auch halbleitertechnisch? Was soll der nächste Meilenstein auf dem Weg zur Marktreife sein?

Ulrich: Der nächste große Schritt ist die Vorbereitung einer klinischen Studie. Wir bereiten uns vor, für eine klinische Studie eines Implantats im Menschen. Dies erfordert Verträglichkeit und Langlebigkeit. Die Anforderungen an ein Medizinprodukte sind hier entsprechend groß. Und das muss natürlich von der biomedizinischen Seite, als auch von der optoelektronischen Seite entsprechend vorbereitet werden.

Karin: Ihr habt ja soweit ich weiß, auch noch eine dritte Seite mit in den Fokus genommen: die wirtschaftliche! Du und einige mehr haben ein Startup gegründet, das OptoGenTech. Wer arbeitet mit dir im Team und was ist euer Ziel?

Ulrich: Die Gründer sind Tobias Moser, Daniel Keppeler, Christian Goßler und ich. Wir sind uns sicher, dass das konventionelle Implantat nicht mehr weiterentwickelt werden kann, was die Frequenzkanäle betrifft. Das sind einfach physikalische Grenzen. Wir haben jetzt ein Produkt, das eine Größenordnung besser ist. Der Markt ist entsprechend groß, wir rechnen von einem Markt mit mehreren Milliarden Euro im Jahr. Und dieses Ziel verfolgen wir.

Karin: Ein ehrgeiziges Ziel! Ich denke ihr habt vielleicht auch noch weitere Einsatzmöglichkeiten, über das eben besprochene optische Cochlea-Implantat hinaus.

Ulrich: Genau, es gibt einige medizinische Anwendungen, bei denen man sich vorstellt, dass man im Körper mit Licht die Nerven stimuliert. Herzschrittmacher auf Optik basiert ist eine Anwendung, auf der man schon aktiv unterwegs ist. Tatsächlich auch im Auge, gerade dort gibt es keine andere Lösung. Deshalb sind hier auch die Aktivitäten schon relativ weit. Für das optische Cochlea-Implantat ist der Zugang zu den Nerven im Innenohr ja schon erfolgreich demonstriert, deswegen hoffen wir, dass wir mit unserem optischen Cochlea-Implantat das erste Medizinprodukt auf den Markt bringen, in dem die Optogenetik erfolgreich eingesetzt wird.

Karin: Kannst du einen kurzen Ausblick geben? Wann etwa könnte es soweit sein, dass es am Markt verfügbar ist?

Ulrich: Das sollte in wenigen Jahren durch die klinische Studie durch sein.

Karin: Dann sage ich Herzlichen Dank für das Gespräch. Dir und dem Team viel Erfolg! Wir sind echt gespannt, wie optogenetische Methoden den medizinischen Markt verändern werden.

Ulrich: Hat mich auch sehr gefreut! Vielen Dank an dich und an die ganzen OSRAM Kollegen für das Interesse am Thema.

Die aktuelle Episode unseres Photonstudios können Sie wie immer auf Soundcloud, iTunes, Spotify und Google Podcast hören. Wer noch mehr darüber wissen will, wie sich Licht anhören kann, dem empfehle ich die Online-Version unseres Innovationsmagazin ON. Auf www.osram-group.com/innovation findest du zudem viele weitere spannende Artikel aus der Welt der Photonik. Bis zur nächsten Episode im Photonstudio!