Ein als Medikament eingesetzter Wirkstoff im Gehirn wird erfasst
Ein drahtloser Chip, der in den präfrontalen Kortex von Miniaturschweinen implantiert wurde, erfasste einen Anstieg eines an Gedächtnisprozessen beteiligten Botenstoffs, nachdem die Tiere Donepezil erhalten hatten, ein Medikament zur Behandlung der Alzheimer-Krankheit. Anschließend kehrte das Signal allmählich zu seinem Ausgangswert zurück. So konnten die Forschenden die chemische Reaktion des Gehirns auf das Medikament kontinuierlich verfolgen.
Inhalt
- Ein als Medikament eingesetzter Wirkstoff im Gehirn wird erfasst
- Warum die Forschenden Acetylcholin verfolgten
- Was sich durch kontinuierliche drahtlose Messungen ändert
- Wie der Chip chemische Vorgänge in ein messbares Signal umwandelt
- Ein separates Experiment mit Mäusen untersuchte die Lichtstimulation
- Könnten Hirnmessungen den nächsten Reiz steuern?
- Wie das Gerät die Medikamentenforschung unterstützen könnte
- Veröffentlichung, Zusammenarbeit und Kommerzialisierung
- Wichtige Punkte
Die von Professor Kyung-In Jang aus der Fakultät für Maschinenbau der KAIST geleitete Forschung kombiniert einen Acetylcholin-Sensor, eine winzige Lichtquelle und drahtlose Messelektronik. Ziel ist es, Veränderungen in einer bestimmten Hirnregion in Echtzeit zu verfolgen, statt auf eine spätere Probe zu warten oder die Wirkung eines Medikaments hauptsächlich anhand von Verhaltensänderungen zu beurteilen.
Die Ergebnisse wurden am 14. Oktober 2026 in Device veröffentlicht, einer von Cell Press herausgegebenen Fachzeitschrift. Die KAIST gab die Arbeit am 27. Oktober bekannt. Zu den Kooperationspartnern gehörten das Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST), das Korea Brain Research Institute (KBRI) und das Korea Research Institute of Bioscience and Biotechnology (KRIBB).
In den Experimenten wurden chemische Reaktionen im Gehirn von Tieren gemessen. Um den Nutzen für Patientinnen und Patienten zu beurteilen, wären weitere Untersuchungen erforderlich, darunter Tests dazu, ob ein Implantat über längere Zeit sicher bleibt und zuverlässige Messwerte liefert.
Warum die Forschenden Acetylcholin verfolgten
Acetylcholin ist ein Neurotransmitter, also ein chemischer Botenstoff, der Informationen zwischen Nervenzellen überträgt. Es unterstützt Lernen und Gedächtnis und ist deshalb ein relevantes Ziel für die Erforschung der Wirkung von Medikamenten auf diese Funktionen.
Donepezil wirkt auf Acetylcholinesterase, ein Enzym, das Acetylcholin abbaut. Indem das Medikament dieses Enzym hemmt, bleibt der Botenstoff länger aktiv. Wird der Acetylcholinspiegel nach einer Dosis verfolgt, können Forschende einen Teil dieses Vorgangs im Gehirn beobachten.
Das Team wählte den präfrontalen Kortex, eine Hirnregion, die an Urteilsvermögen, Aufmerksamkeit und Gedächtnis beteiligt ist. Nach der Implantation des Chips und der Verabreichung von Donepezil zeichneten die Forschenden zunächst einen Anstieg des Acetylcholin-Signals auf. Danach näherte es sich allmählich wieder dem Ausgangswert an, also dem vor der Behandlung gemessenen Wert.
Das sich verändernde Signal ist nützlich, weil die Wirkung eines Medikaments im Laufe der Zeit einsetzt. Eine einzelne Messung kann einen Anstieg oder eine Erholung erfassen, während eine kontinuierliche Aufzeichnung zeigt, in welcher Abfolge diese Phasen auftreten.
Was sich durch kontinuierliche drahtlose Messungen ändert
Die Wirkung von Medikamenten gegen Hirnerkrankungen beurteilen Forschende häufig anhand von Gedächtnistests, Verhalten oder bildgebenden Verfahren. Diese Methoden beantworten andere Fragen als ein Sensor, der direkt in einer Hirnregion sitzt: Sie können die Leistung oder die übergeordnete Aktivität erfassen, während der Chip eine bestimmte chemische Reaktion am Implantationsort verfolgt.
Die direkte Entnahme von Flüssigkeit aus dem Gehirn kann pro Probe mehrere Minuten oder länger dauern. Mit dem neuen Gerät konnten Veränderungen Sekunde für Sekunde verfolgt werden. So entstand eine detailliertere Aufzeichnung eines Signals, das sich innerhalb kurzer Zeit verändert.
Eine miniaturisierte Schaltung verarbeitet die Messwerte und sendet sie per Bluetooth an ein externes Gerät. Dadurch können Forschende die Daten empfangen, ohne das Tier über ein Datenkabel mit der Aufzeichnungsanlage verbinden zu müssen.
Miniaturschweine kamen zum Einsatz, weil ihr Gehirn in Größe und Struktur dem menschlichen Gehirn ähnlicher ist als das von Nagetieren. Das KRIBB stellte die Tiere bereit und unterstützte die chirurgischen Eingriffe. Es trug damit die erforderlichen Einrichtungen und Fachkenntnisse zu diesem Teil der Arbeit bei.
Wie der Chip chemische Vorgänge in ein messbares Signal umwandelt
Acetylcholin muss in eine Form umgewandelt werden, die sich mit der Elektronik des Chips messen lässt. Der Sensor nutzt Enzyme, um chemische Reaktionen auszulösen, bei denen Wasserstoffperoxid entsteht. Eine Elektrode wandelt dieses Reaktionsprodukt anschließend in elektrischen Strom um.
Die Sensorschicht kombiniert poröses Chitosan mit extrem dünnen Silber- und Platindrähten im Nanometerbereich. Chitosan ist ein Material, das aus den Schalen von Krebstieren wie Garnelen und Krabben gewonnen werden kann. Seine zahlreichen kleinen Poren bieten eine große Oberfläche, an der die nachweisenden Enzyme haften können.
Die Nanodrähte helfen dabei, das bei der Reaktion entstehende Wasserstoffperoxid in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Zusammen verbinden das poröse Material und die leitfähigen Drähte einen chemischen Vorgang im Gehirn mit einem Messwert, den elektronische Geräte aufzeichnen können.
Auch andere Moleküle im Gehirn können an einer Elektrode Signale erzeugen. Um diese Störungen zu verringern, verfügt die dünne Sonde auf der einen Seite über eine mit Enzymen beschichtete Elektrode und auf der anderen über eine Elektrode ohne Enzyme.
Das System vergleicht die beiden Messwerte und zieht das gemeinsame Signal ab. So lassen sich Veränderungen, die mit Acetylcholin zusammenhängen, besser von der chemischen Hintergrundaktivität unterscheiden. Die resultierenden Messwerte laufen durch die kleine Schaltung, bevor sie nach außen übertragen werden.
Ein separates Experiment mit Mäusen untersuchte die Lichtstimulation
Der Chip enthält außerdem eine Mikro-Leuchtdiode (Mikro-LED), die Licht ins Gehirn leiten kann. Die Forschenden testeten diese Komponente in einem separaten Experiment mit transgenen Mäusen. Das KBRI unterstützte dabei die Operationen und Experimente.
Die Nervenzellen dieser Mäuse waren so verändert worden, dass sie auf Licht reagieren. Die Optogenetik genannte Technik ermöglicht es Forschenden, ausgewählte Zellen durch Beleuchtung zu aktivieren, statt sich ausschließlich auf elektrische Stimulation zu stützen.
Als die Forschenden die Lichtquelle des Chips einschalteten, zeichneten sie einen Anstieg des Acetylcholin-Signals auf. Damit zeigte sich, dass dasselbe Gerät sowohl einen Reiz setzen als auch die damit verbundene chemische Reaktion erfassen kann.
Die Arbeit umfasste somit zwei klar getrennte experimentelle Schritte: die Erfassung der Reaktion auf Donepezil bei Miniaturschweinen und die Erfassung der Reaktion auf Licht bei genetisch veränderten Mäusen. Dabei wurde jeweils eine andere Funktion des kombinierten Geräts getestet.
Könnten Hirnmessungen den nächsten Reiz steuern?
Jang und seine Kolleginnen und Kollegen sehen die Verbindung von Sensorik und Stimulation als Ausgangspunkt für eine neuronale Schnittstelle mit geschlossenem Regelkreis. Einfach gesagt ist das ein System, das eine Reaktion misst und anhand des Ergebnisses entscheidet, was als Nächstes geschieht.
Eine künftige Version könnte nach einer Stimulation eine chemische Veränderung erkennen und anschließend Zeitpunkt oder Stärke des nächsten Reizes anpassen. Sensor und Lichtquelle in einem Gerät zu vereinen, bietet eine Möglichkeit, diesen Vorgang zu untersuchen.
Jang, der die Forschung leitende KAIST-Professor und korrespondierende Autor der Studie, beschrieb das Ziel so:
„Diese Studie legt die Grundlage für Technologien, die Veränderungen im Gehirn überwachen und die Stimulation an dessen Reaktion anpassen“,
Die vorliegende Arbeit schafft eine experimentelle Grundlage für diesen Ansatz. Um ein System zu entwickeln, das zuverlässig auf ein sich veränderndes Hirnsignal reagiert und die Stimulation entsprechend auswählt und auslöst, wären weitere Tests erforderlich.
Wie das Gerät die Medikamentenforschung unterstützen könnte
Forschende könnten kontinuierliche Acetylcholin-Messungen nutzen, um zu vergleichen, was nach unterschiedlichen Medikamentendosen oder bei verschiedenen Abständen zwischen den Dosen geschieht. Statt nur festzustellen, ob ein Signal angestiegen ist, könnten sie untersuchen, wann es anstieg, wie es sich veränderte und wann es sich wieder seinem Ausgangswert näherte.
Solche Messungen könnten dabei helfen, einen Behandlungsplan mit einer chemischen Reaktion in einer ausgewählten Hirnregion in Verbindung zu bringen. Bei der Untersuchung der Medikamentenwirkung ließen sie sich außerdem zusammen mit Verhaltenstests und anderen Messungen betrachten.
Für die weitere Entwicklung bleiben mehrere praktische Fragen offen, darunter die Sicherheit bei längerer Implantation und die Stabilität der Messwerte im Zeitverlauf. Um Experimente vergleichen zu können, die Tage oder Wochen auseinanderliegen, muss ein Sensor gleichbleibend genug messen.
Für Menschen mit Alzheimer ist die Entwicklung zunächst ein Forschungsinstrument. Ein Einsatz am Menschen müsste weiter validiert werden; ein Termin für eine klinische Studie am Menschen wurde nicht bekannt gegeben.
Veröffentlichung, Zusammenarbeit und Kommerzialisierung
Die Studie verbindet Ingenieurwissenschaften, chemische Sensorik und Tierversuche an vier südkoreanischen Einrichtungen. Son Ji-eun, Oh Se-hyeok und Ha Jeong-dae vom DGIST waren gleichberechtigte Erstautoren. Jang war korrespondierender Autor und für die Kommunikation zur Studie zuständig.
Die Veröffentlichung und die Bekanntgabe erfolgten nach folgendem Zeitplan:
- 14. Oktober 2026: Device veröffentlichte die Studie zum implantierbaren Chip und den Tierversuchen.
- 27. Oktober 2026: Die KAIST gab die Forschung und ihre Pläne für die weitere Entwicklung bekannt.
Die Studie trägt den Titel „Implantable neural chip with electrochemical sensing and optogenetic stimulation for monitoring of cholinergic pharmacological responses“. Der DOI lautet 10.1016/j.device.2026.101329. Im Titel bezeichnet elektrochemische Sensorik die Umwandlung chemischer Reaktionen in elektrische Messwerte. Cholinerg bezieht sich auf die Signalübertragung unter Beteiligung von Acetylcholin.
Das Team plant, die Kommerzialisierung über N-Side Inc. voranzutreiben, ein von Jang geleitetes Start-up, das von einem Hochschullehrer gegründet wurde. Um aus dem Versuchsgerät ein verlässliches Forschungsprodukt zu machen, müssen dieselben Aspekte berücksichtigt werden wie im Labor: eine sichere Implantation und dauerhaft zuverlässige Messwerte.
Wichtige Punkte
- Ein von der KAIST geleitetes Team nutzte einen implantierten drahtlosen Chip, um Acetylcholin-Signale nach der Gabe von Donepezil bei Miniaturschweinen zu verfolgen.
- Das Signal stieg nach der Behandlung an und näherte sich danach allmählich wieder seinem Ausgangswert.
- Das Gerät kombiniert chemische Sensorik, eine winzige Lichtquelle und Bluetooth-Übertragung.
- In einem separaten Experiment mit genetisch veränderten Mäusen wurde nach Lichtstimulation ein Anstieg der Acetylcholin-Signale aufgezeichnet.
- Mögliche Anwendungen sind der Vergleich von Medikamentenreaktionen und die Entwicklung einer Stimulation, die sich an gemessene Hirnaktivität anpasst.
- Vor einem Einsatz am Menschen müssen weitere Tests die Sicherheit bei längerer Implantation und die Stabilität der Messungen untersuchen.
