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Auf wieder Sehen

Von der Bibel bis zu Star Trek: Der Traum, Blinde wieder sehend zu machen, begleitet die Menschheit seit Jahrtausenden. Zwei Professoren der Johannes Kepler Universität forschen an einer künstlichen Netzhaut aus organischem Material, die das ermöglichen soll.

Von Markus Staudinger

Die Augenpartie eines zwinkernden Menschens in Nahaufnahme
Illustration: Jana Schibany

I was blind,
now I can see
You made a believer
out of me
(Primal Scream,
Movin’ on up, 1991)

 Bartimäus saß am Weg, der aus Jericho hinausführte. „Jesus, hab Erbarmen mit mir“, rief er. „Was willst du, dass ich dir tue?“, fragte jener. Der blinde Bettler antwortete: „Rabbuni, ich möchte sehen können.“ Da sagte Jesus zu ihm: „Geh! Dein Glaube hat dich gerettet.“ Im gleichen Augenblick konnte er sehen und er folgte Jesus auf seinem Weg nach.

Blinde wieder sehend zu machen: Dieser Traum beschäftigt die Menschheit seit Jahrtausenden. „Die Blinden sehen, die Lahmen gehen, die Aussätzigen werden rein, die Tauben hören, die Toten stehen auf“, heißt es an einer anderen Stelle der Bibel.

Dabei, Taube wieder hören zu lassen, ist man seit geraumer Zeit auch auf irdischem Weg gut unterwegs: Hier hat die Wissenschaft mit dem Cochlea-Implantat schon vielen Hörgeschädigten geholfen.

Jetzt rücken Forscherinnen und Forscher auch der Herausforderung näher, Erblindeten etwas Sehkraft zu verschaffen. Es geht insbesondere um Menschen, die unter Retinitis pigmentosa (RP) leiden. Das ist eine langsam verlaufende, aber unheilbare Krankheit, bei der die Fotorezeptoren auf der Netzhaut nach und nach absterben. Die Betroffenen erblinden schleichend. Zuerst funktionieren die Stäbchen auf der Netzhaut nicht mehr, die für die Graustufen im Dämmerlicht zuständig sind. Später sind die Zapfen betroffen, mit denen man im Hellen scharf und farbig sieht.

„Ich konnte meinen Führerschein noch machen und war bis Ende 20 auch mobil“, berichtet Peter B., ein Betroffener. „Auf Nachtblindheit folgte bei mir Tunnelblick. Schließlich schwächte sich auch das zentrale Sehen zunehmend ab. Mit 30 Jahren musste ich meinen Führerschein wieder abgegeben. Mit 45 Jahren war ich komplett erblindet.“ „Ich wusste bereits mit elf, dass irgendwann die Erblindung kommt“, sagt Cornelia R., eine andere RP-Erkrankte. Nach und nach verlor auch sie ihre Sehkraft. „Zuletzt konnte ich meine Tochter und meine Enkelkinder mehr als zehn Jahren nicht sehen.“

Peter B. und Cornelia R. haben sich eine künstliche Netzhaut der Retina Implant AG aus Reutlingen einsetzen lassen. Auf der Website der Retina Implant berichten sie über ihre Erfahrungen.

Der Pionier aus Tübingen

Vor rund 20 Jahren hat Eberhart Zrenner, mittlerweile emeritierter Professor für Augenheilkunde an der Universität Tübingen, mit der Forschung an dieser künstlichen Netzhaut begonnen. Das Implantat aus Reutlingen basiert vor allem auf seiner Arbeit. „Zrenner ist der wesentliche Pionier der künstlichen Netzhaut“, sagt der Linzer Mediziner Matthias Bolz. Bolz ist Professor für Augenheilkunde an der Linzer Johannes Kepler Universität und leitet die Augenklinik des Kepler Universitätsklinikums. „Zrenner hat gezeigt, dass die Methode funktioniert.“

Bei der von Zrenner und der Retina Implant verwendeten Lösung handelt sich um einen Mikrochip – 3,2 mal 4 Millimeter groß und 70 Mikrometer dünn –, der unter der Netzhaut eingesetzt wird. Subretinal, nennen das die Fachleute. Der Chip wandelt – wie in einer Digitalkamera – das einfallende Licht in elektrische Signale um. Diese Signale werden über den Sehnerv ins Gehirn weitergeleitet, das daraus Seheindrücke entstehen lässt. „Die natürlichen Fotorezeptoren im Auge machen im Grunde auch nichts anderes, als Licht in elektrische Signale umzuwandeln“, sagt Bolz.

Bolz, JKU-Materialwissenschafter Niyazi Serdar Sariciftci sowie Eric Glowacki von der schwedischen Universität Linköping und die israelische Professorin Yael Hanein forschen derzeit an einer Neuentwicklung einer solchen künstlichen Netzhaut.

Denn der Mikrochip des von Zrenner entwickelten Implantats muss extern mit Strom versorgt werden. Das heißt, aus dem Auge geht ein kleines Kabel aus Gold unter der Haut zu einer hinter dem Ohr eingesetzten Spule, die von einem Handgerät (etwas größer als ein Mobiltelefon) mit Strom versorgt wird.

Wie Solarzellen helfen

„Diese externe Energieversorgung wollen wir vermeiden“, sagt Sariciftci. Er ist Professor an der Technisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Linzer Kepler Universität und leitet das Institut für Physikalische Chemie und Organische Solarzellen. Sariciftci und sein Team gehören zu den weltweit führenden Spezialisten darin, organische Materialien (wie Zucker, Seide oder Farbstoffe) als elektronische Komponenten verwendbar zu machen.

Genau solche organischen Solarzellen kämen bei der Linzer Weiterentwicklung der künstlichen Netzhaut zum Einsatz. „Wenn das funktioniert, brauche ich keine Kabel, keine Batterie – das wäre das Schönste“, sagt Sariciftci.

Die Zeichen dafür stehen sehr gut. Dem internationalen Forscherteam ist es bereits gelungen, künstliche Netzhäute herzustellen. Es sind extrem dünne Folien (80 Nanometer) aus organischen Halbleitern. „Die Verwendung von organischem Material verringert die Gefahr von Abstoßungen beträchtlich“, nennt Bolz einen weiteren Vorteil der Linzer Lösung. Bei den in der künstlichen Netzhaut nach Linzer Vorstellungen derzeit verwendeten Materialien handelt es sich um Pigmente – „so wie sie auch in der Kosmetik oder zum Tätowieren verwendet werden“, sagt Sariciftci. Werden die Nanokristalle dieser Pigmente mit Licht bestrahlt, wandeln sie dieses in ein elektrochemisches Signal um, mit dem der Sehnerv stimuliert wird – direkt und ohne zusätzliche Elektronik oder externe Stromversorgung. „Licht rein, Strom raus“, sagt Sariciftci.

Auch die Weiterleitung der Impulse an den Sehnerv klappt – jedenfalls bei den Augen von Hühnern. Das haben Forscher an der Universität Tel Aviv unter der Leitung der Elektrotechnik- Professorin Yael Hanein erprobt, eine der führenden Expertinnen für das Zusammenspiel von Elektronik und Nervensystem. Ihnen gelang es, mit der künstlichen Netzhaut aus Linz/Linköping den Sehnerv von Hühnerembryos zu stimulieren. „Das hat in der Fachwelt ein kleines Erdbeben verursacht“, sagt Sariciftci.

Was Patienten wieder sehen

So weit, Erblindeten das volle Augenlicht wiederzugeben, ist man freilich noch lange nicht, weder in Tübingen/Reutlingen noch in Linz oder an der Universität Stanford, wo der Physiker Daniel Palanker und das Augenteam der Medizinfakultät ebenfalls an der künstlichen Netzhaut arbeiten.

„Man darf sich nicht vorstellen, dass die Leute wieder scharf sehen“, sagt Bolz. „Man kann sich im Raum aber halbwegs orientieren. Man erkennt Fenster, Türen, Türrahmen und im Idealfall auch einzelne Buchstaben in einer überdimensionalen Schriftgröße. Das ist schon sehr viel für einen Menschen, der vorher blind war.“ Farben sind mit der künstlichen Netzhaut nicht zu erkennen.

Das auf den Arbeiten von Zrenner entwickelte Retina-Implantat aus Reutlingen sowie dessen Vorgängermodell wurden bisher rund 60 Personen eingesetzt.

„Nach der Aktivierung hat man mir in einem Studio zwölf weiße Buchstaben auf schwarzem Hintergrund vorgelegt. Ich erkannte alle zwölf am Stück“, berichtet Patient Peter B. auf der Retina-Implant-Homepage. Der Chip habe ihm geholfen, sich wieder besser zu orientieren, sagt er. „Vor allem bei starken Lichtquellen und Kontrasten. Das geht allerdings nicht ohne Training.“ Das Gehirn müsse lernen, die Informationen, die der Chip bereitstellt, entsprechend zu deuten.

„Wie eine Neonröhre im Dunkeln“. So beschreibt Cornelia R., eine andere Patientin, ihre ersten Seheindrücke nach einer vollkommenen Blindheit von mehr als zehn Jahren: „Ich konnte im Fernsehen verfolgen, wenn sich etwas bewegt hat, Fenster lokalisieren.“ Rund 100.000 Euro kostet die gesamte Behandlung samt Retina-Implant-Chip. Bei manchen Patienten in Deutschland haben Krankenkassen die Kosten dafür im Rahmen eines Programms für neue Untersuchungsund Behandlungsmethoden übernommen.

Für wen Implantate geeignet sind

Dass der Sehnerv funktioniert, ist unerlässlich für den Einsatz einer künstlichen Netzhaut.

Nicht zuletzt deshalb wurde die Linzer Netzhaut in Tel Aviv an Hühnerembryos getestet. Bei ihnen sind zwischen dem 14. und 16. Tag ihrer Entwicklung genau die Bedingungen gegeben, mit denen Retinitis-pigmentosa-Erkrankte konfrontiert sind: Die Fotorezeptoren funktionieren nicht, die Augen und deren Nervenzellen sind aber entwickelt.

Nicht helfen kann die künstliche Netzhaut in der Regel Menschen, die von Geburt an erblindet sind. Ganz abgesehen davon, ob der Sehnerv funktioniert oder nicht, hat deren Hirn nie gelernt, Sinneseindrücke der Augen zu verarbeiten. Da helfen auch die elektronischen Signale, die ein Implantat an das Gehirn übermittelt, nicht.

Wie geht es nun mit der Entwicklung der künstlichen Netzhaut aus Linz weiter?

Am Studienzentrum der Augenklinik des Linzer Kepler Universitätsklinikums laufen derzeit weitere Grundlagentests im Labor, sagt Bolz. Es gibt neben den bereits erwähnten Pigmenten eine ganze Reihe von organischen Halbleitern, die für die künstliche Netzhaut nach Linzer Vorstellungen in Frage kommen.

Eine der Kernfragen im Labor wird im Toxizitätstest beantwortet – nämlich, ob sich das verwendete Material für den Einsatz im menschlichen Körper als geeignet erweist. Was, wenn nicht? „Dann suchen wir eben ein anderes Material“, sagt Sariciftci. „Das ist hier am Institut für Physikalische Chemie und Organische Solarzellen unser Tagesgeschäft, unsere Kernkompetenz.“

„Wenn sich nun im Labortest bestimmte Materialien als optimal herauskristallisieren – sowohl von der physikalischen Seite als auch von der Biokompatibilität –, werden wir nochmals den Test mit den Netzhäuten von Hühnerembryos machen“, sagt Bolz. „Wenn das Material dann klar ist – und die Materialkunde ist hier der Schlüssel zum Erfolg – sind wir schon relativ weit. Dann geht es in den Tierversuch.“

Getestet werde dann an Schweine- und Kaninchenaugen. „Vor allem Kaninchenaugen“, sagt Bolz. Durchgeführt werden sollen diese Tests in Tübingen, sagt Sariciftci. „Dann wird sich zeigen, ob das alles auch genauso funktioniert, wie wir uns das vorstellen“, sagt Bolz.

Wann ist man soweit, die künstliche Netzhaut aus Linz Menschen einzusetzen? „Das lässt sich noch nicht seriös abschätzen“, sagt Bolz. „Wir sind schon sehr weit. Von der Grundlagenforschung jetzt in den Tierversuch ist der Weg relativ kurz. Aber natürlich gibt es bei medizintechnischen Produkten zu Recht enorme Auflagen, bevor man sie bei Menschen einsetzen oder anwenden kann.“

Um diese Zulassungsverfahren kümmert sich der promovierte Medizintechniker Michael Ring. Er leitet neben Matthias Bolz das Studienzentrum der Linzer Augenklinik. Sehr hilfreich, sagt Bolz, sei, dass die Medizinische Fakultät der JKU (sowie deren Fördergeber Bund, Land und Stadt Linz) einen ihrer Schwerpunkte auf Medizintechnik gelegt haben. „Unser Projekt passt da perfekt hinein.“

Linz als Retina-Zentrum

Materialwissenschafter Niyazi Serdar Sariciftci hat bereits eine Zukunftsvision für die Linzer Uniklinik: „Ich will, dass das Kepler Universitätsklinikum mit Matthias Bolz zu einem weltweiten Zentrum für die künstliche Netzhaut wird.“

Die Konkurrenz ist mit Stanford und Tübingen zwar stark. Dass die Linzer Kepler Universität in der globalen Forschergemeinschaft aber Elitestatus erreichen kann, hat Sariciftci mit seinem Linzer Institut für Organische Solarzellen (LIOS) bewiesen.

Der Träger des Wittgenstein-Preises –, der prestigeträchtigsten Wissenschaftsauszeichnung Österreichs – ist in seinem Fachgebiet einer der weltweit meistzitierten Forscher. Das zieht Doktorandinnen und Doktoranden von überall an. Entsprechend international ist die Forschung im Allgemeinen und beim Projekt „Künstliche Netzhaut“ im Besonderen.

Dass die schwedische Universität Linköping daran beteiligt ist, kommt nicht von ungefähr. Denn Eric Glowacki, der dort seit 2016 lehrt, ist einer von Sariciftcis einstigen Studenten an der JKU. Er hat seine Arbeiten an den Folien der künstlichen Netzhaut gemeinsam mit Sariciftci in Linz begonnen, jetzt zeichnet er für deren Herstellung in Linköping verantwortlich. „Wir haben hier an unserem Institut an der JKU schon viele spätere Professoren hervorgebracht“, sagt Sariciftci. „Eric ist unter ihnen aber ein absolutes Ausnahmetalent.“

Glowacki war 2010 von der US-Universität Rochester an die Johannes Kepler Universität gekommen, um seinen Doktor bei Sariciftci zu machen. Sariciftci hatte selbst einst entscheidende Jahre in den USA verbracht. Geboren in der Türkei, studierte er ab 1980 an der Universität Wien Physik: Nach seinem Doktorat ebenso dort forschte und lehrte er zunächst an der Universität Stuttgart, dann an der University of California in Santa Barbara, USA, wo er gemeinsam mit dem späteren Nobelpreisträger Alan J. Heeger die polymeren organischen Solarzellen entdeckt und untersucht hat. 1996 folgte Sariciftci dem Ruf an die Kepler Universität.

Wie die Idee entstand

Die Idee, diese organischen Halbleiter in der Augenmedizin einzusetzen, kam übrigens, als sich Sariciftci 2011 selbst einer Augenoperation unterziehen musste. „Ich war von einer Retina-Ablösung betroffen, Matthias Bolz hat mich operiert. So ist der Kontakt zustande gekommen, so haben wir auch die Idee entwickelt“, sagt Sariciftci. „Das Schicksal will es offenbar so, dass wir das hier machen“, sagt Bolz. Kurz darauf, im Winter 2012, war Bolz zu Gast bei der Wintertagung der Bioelektriker, zu der Sariciftci alljährlich die internationale Forscherelite in diesem Bereich nach Kirchberg in Tirol lädt. Das Kernteam um Niyazi Serdar Sariciftci, Matthias Bolz, Yael Hanein und Eric Glowacki war gefunden.

Wie schwierig wird es aus medizinischer Sicht, die künstliche Netzhaut aus Linz/Linköping dereinst einzusetzen? Die Operation beschreibt Bolz als „eigentlich nicht sehr aufwendig“. Es handle sich zunächst um eine Vitrektomie, die Entfernung des Glaskörpers durch Aussaugen. Anschließend werde die künstliche Retina zwischen die vorhandene, aber defekte natürliche Netzhaut und die darunterliegende Aderhaut mit einer Mikronadel injiziert. „Das ist relativ einfach“, sagt Bolz.

Der Vorteil dieser so genannten subretinalen Netzhautprothesen (Linzer Projekt, Retina- Implant aus Reutlingen/Tübingen) ist, dass sie mit ihren ans Gehirn gesendeten Informationen den Augenbewegungen folgen.

Anders ist das bei den sogenannten epiretinalen Implantaten, wie dem US-amerikanischen Argus-System. Dabei wird der Mikrochip auf der Netzhaut fixiert. Zusätzlich benötigt man aber auch eine externe Videokamera, die zumeist in eine Brille integriert ist. Sie nimmt das Außenbild auf, wandelt die Informationen in elektrische Impulse um und sendet diese dann drahtlos an das Implantat, das daraufhin den Sehnerv entsprechend stimuliert.

Einer der großen Unterschiede dieser Lösung zu den subretinalen Implantaten ist: Um das Sichtfeld zu ändern, muss bei epiretinalen Implantaten die Kamera (also der Kopf mit der Brille) bewegt werden, die Augenbewegung alleine bewirkt nichts.

„Kennen Sie Geordie La Forge?“

Eine Brille werde man zwar wohl auch beim Linzer Modell brauchen, sagt Bolz. Dies aber nicht, weil die Linzer Netzhaut einer Kamera bedürfte, sondern allein um die Lichtsignale die auf die organischen Solarzellen treffen, zu verstärken.

Statt auf biblische Analogien von Blinden, die wieder sehen, zurückzugreifen, bedient sich Bolz (nicht zuletzt wegen dieser Brille) anderer Vergleiche, um das Linzer Projekt anschaulich zu machen. „Kennen Sie Geordi La Forge?“, fragt er.

Der Name kommt mir bekannt vor. Ein Mediziner, Chemiker oder Physiker? Fehlanzeige.

„Geordie La Forge ist in ,Star Trek – The Next Generation‘ der Chefingenieur auf der USS Enterprise“, sagt Bolz. Stimmt, jetzt ist auch das dazugehörige Bild im Kopf: Der blinde Ingenieur mit der schmalen Brille, dem sogenannten Visor, der es ihm ermöglicht, seine Umgebung wahrzunehmen. „Das muss natürlich nicht so spacig ausschauen“, sagt Bolz, „aber in diese Richtung wird es gehen. Wir setzen ein Solarzellenimplantat unter die Netzhaut, dazu braucht es eine verstärkende Brille.“

In „Star Trek“ kann La Forge mit seinem Visor übrigens mehr wahrnehmen als normal Sehende. So weit ist man mit der künstlichen Netzhaut (egal, um welches Implantat es sich handelt), wie bereits beschrieben, natürlich noch nicht.

Um keine falschen Erwartungen zu wecken und Enttäuschungen zu vermeiden, sind daher alle Forscher bemüht zu betonen, dass es sich noch um rudimentäre Seheindrücke handelt, die die Implantate vermitteln.

Bei manchen Patienten funktionieren die Implantate auch besser als bei anderen. Das hängt damit zusammen, wie schwer oder leicht sich der fürs Sehen zuständige Teil des Gehirns damit tut, die vom Implantat übermittelten Impulse zu interpretieren und wieder zu einem Bild zusammenzusetzen.

Aber in jedem Fall sind es erste Schritte, Erblindete wieder ein bisschen sehen zu lassen.

Und das ist wesentlich mehr, als man sich noch vor wenigen Jahrzehnten abseits von Religion, Mythologie oder Science-Fiction überhaupt zu erhoffen wagte.

NEWS 28.09.2018

Wissen

Erschienen in Ausgabe 3/2018