Mit dieser „bionischen Nase“ haben COVID-19-Überlebende die Möglichkeit, wieder „die Rosen zu riechen“.

​An einem Sonntag im Jahr 2012 fiel Scott Moorehead zu Boden, als er seinem 6-jährigen Sohn das Skateboarden beibrachte. „Mein Hinterkopf hat die Hauptlast abbekommen“, sagte er. Er verbrachte drei Tage auf der Intensivstation, wo Ärzte ihn wegen mehrerer Schädelfrakturen, massiver innerer Blutungen und Schäden am Frontallappen seines Gehirns behandelten.

Nach Wochen und Monaten kehrte Mooreheads Gehör zurück, seine Kopfschmerzen verschwanden und auch seine Reizbarkeit und Verwirrung verschwanden, aber seinen Geruchssinn erlangte er nie wieder.

Der Unfall hat die Nerven von Mooreheads Nase bis zum Riechkolben an der Basis seines Gehirns dauerhaft durchtrennt. Neben seinem Geruchssinn verlor er auch seinen grundlegenden Geschmackssinn. „Geschmack entsteht hauptsächlich durch Geruch“, erklärt er. „Meine Zunge kann nur süß, salzig, scharf und bitter wahrnehmen. Man könnte mir die Augen verbinden und mir zehn Eissorten vorlegen, und ich würde den Unterschied nicht bemerken: Sie schmecken alle ein wenig süß, außer Schokolade ist ein bisschen bitter.“

Moorehead litt furchtbar darunter: Neben dem Geschmack des Essens vermisste er auch den einzigartigen Geruch seiner Lieben. Einmal bemerkte er ein Gasleck nicht und erkannte die Gefahr erst, als seine Frau nach Hause kam und die Polizei rief.

Moorehead-Schmerzen sind kein Einzelfall. Geruchsverlust kann nicht nur durch Kopfverletzungen verursacht werden, sondern auch durch den Kontakt mit bestimmten Giftstoffen und einer Vielzahl medizinischer Probleme, darunter Tumore, Alzheimer und Viruserkrankungen wie COVID. Auch der Geruchssinn lässt mit zunehmendem Alter nach; in einer Studie aus dem Jahr 2012 mit mehr als 1.200 Erwachsenen, deren Geruchssinn getestet wurde, hatten 39 Prozent der Teilnehmer im Alter von 80 Jahren und älter eine Geruchsstörung.

Geruchs- und Geschmacksverlust sind seit Beginn der Epidemie die Hauptsymptome von COVID. Menschen mit COVID-induzierter Anosmie haben derzeit nur drei Möglichkeiten: abwarten, ob das Gefühl von selbst zurückkehrt, Steroidmedikamente anfordern, um die Entzündung zu reduzieren und möglicherweise die Genesung zu beschleunigen, oder damit beginnen, etwas, dem sie sich aussetzen, erneut zu testen. Jeden Tag vertraute Gerüche riechen, um dies zu fördern die Wiederherstellung der Rhinozerebralnerven. Medikamente sind in der Regel wirksam, wenn Patienten eine Behandlung suchen und sich innerhalb weniger Wochen nach Auftreten der Symptome erholen. Aber trotzdem funktionieren diese Interventionen nicht bei jedem.

Im April 2020 starteten Forscher der VCU Smell and Taste Clinic eine landesweite Umfrage unter Erwachsenen, bei denen COVID diagnostiziert wurde, um die Prävalenz und Dauer geruchsbedingter Symptome zu ermitteln. Sie beobachteten diese Menschen regelmäßig und veröffentlichten im August letzten Jahres Ergebnisse von Menschen zwei Jahre nach ihrer Erstdiagnose. Die Ergebnisse waren schockierend: 38 % berichteten von einer vollständigen Genesung ihres Geruchs- und Geschmackssinns, 54 % von einer teilweisen Genesung und 7,5 % von überhaupt keiner Genesung. „Dies ist ein ernstes Problem der Lebensqualität“, sagte Evan Reiter, Direktor der VCU-Klinik.

Den Geruchssinn regenerieren

Während viele Forscher biologische Methoden untersuchen, wie zum Beispiel die Verwendung von Stammzellen zur Regeneration von Geruchsrezeptoren und Nerven, glaubt Richard Costanzo, dass Hardware-Implantate die einzige Lösung für Menschen sind, die ihren Geruchssinn vollständig verloren haben. „Wenn diese Wege wirklich nicht mehr verfügbar sind, muss man sie durch Technologie ersetzen“, sagte er.

Costanzo, emeritierter Professor für Physiologie und Biophysik, gründete in den 1980er Jahren das Zentrum für Geruchs- und Geschmacksstörungen der VCU, eine der ersten Kliniken dieser Art im Land. Nachdem er jahrelang den Geruchsverlust untersucht und die Möglichkeit einer biologischen Regeneration untersucht hatte, begann er in den 1990er Jahren mit der Arbeit an Hardwarelösungen.

Er hat einen Prototyp einer elektronischen Nase entwickelt: eine Neuroprothese für den Geruchssinn, bei der elektronische Nasensensoren ihre Signale an eine Reihe kleiner Elektroden übertragen, die einem Cochlea-Implantat entnommen wurden. Bei Menschen mit Hörverlust können Implantate Informationen über Geräusche in das Innenohr und dann ins Gehirn einspeisen. Das Implantat ist außerdem so dimensioniert, dass es in den Riechkolben am Rand des Gehirns passt. Könnte es also auch zur Vermittlung von Informationen über Gerüche genutzt werden?

Im Gegensatz zu den meisten Menschen mit Anosmie gab Moorehead nicht auf, als die Ärzte ihm sagten, dass er seinen Geruchssinn auf keinen Fall wiedererlangen könne. Als CEO eines Mobiltelefon-Einzelhandelsunternehmens mit Filialen in 43 Bundesstaaten verfügt er über die Ressourcen, um in langfristige Forschung zu investieren. Als ihm ein Kollege von der Arbeit an der VCU erzählte, nahm er Kontakt auf und bot ihm ein Forschungsstipendium an. Seit 2015 hat Moorehead fast 1 Million US-Dollar in die Forschung investiert. Er lizenzierte die Technologie auch von VCU und gründete ein Startup namens Sensory Restoration Technologies.

Als COVID zuschlug, sah Moorehead eine Chance. Obwohl sie weit davon entfernt waren, ein zu bewerbendes Produkt auf den Markt zu bringen, erstellte er schnell eine Website für das Startup. Er sagte: „Die Menschen verlieren ihren Geruchssinn. Die Menschen müssen wissen, dass es uns gibt!“ Anhörung.

Cochlea-Implantate sind die bisher erfolgreichste Neurotechnologie, weltweit wurden über 700.000 Geräte in Ohren implantiert. Mittlerweile gibt es bereits Forschungseinrichtungen, die Netzhautimplantate für Blinde entwickeln, doch Geruch und Geschmack galten bislang als schwierige Herausforderung.

Um zu verstehen, warum, müssen Sie zunächst die wunderbare Komplexität des menschlichen Geruchssystems verstehen. Wenn der Duft einer Rose in Ihre Nasengänge strömt, binden sich Geruchsmoleküle an Rezeptorneuronen und senden elektrische Signale an den Riechnerv. Diese Nerven wandern durch Knochenplatten zum Riechkolben, einer kleinen Nervenstruktur im Vorderhirn. Von dort gelangen die Informationen zur Amygdala, dem Teil des Gehirns, der emotionale Reaktionen steuert. der Hippocampus, eine Struktur, die am Gedächtnis beteiligt ist; und der Frontalkortex, der für die kognitive Verarbeitung zuständig ist.

Geruchsmoleküle, die in die Nase gelangen, binden an Riechrezeptorzellen, die Signale über die Knochen der Lamina cribrosa an den Riechkolben senden. Von dort wird das Signal an das Gehirn weitergeleitet.

Diese verzweigten neuronalen Verbindungen sind der Grund, warum Gerüche uns manchmal so stark treffen und an glückliche Erinnerungen oder traumatische Ereignisse erinnern. „Das Geruchssystem hat Zugang zu Teilen des Gehirns, die für andere Sinne unzugänglich sind“, sagt Coelho. Die Vielfalt der Gehirnverbindungen legt auch nahe, dass die Stimulation des Geruchssystems weit über die Wahrnehmung von Nahrung oder das Erkennen von Gaslecks hinausgehen kann: „Es könnte sich auf Stimmung, Gedächtnis und Kognition auswirken. „

Biologische Systeme sind aus mehreren Gründen schwer zu reproduzieren. Die menschliche Nase verfügt über etwa 400 verschiedene Arten von Rezeptoren, die Geruchsmoleküle erkennen. Diese Rezeptoren arbeiten zusammen, um es dem Menschen zu ermöglichen, eine erstaunliche Anzahl von Gerüchen zu unterscheiden: Eine Studie aus dem Jahr 2014 schätzte die Zahl auf eine Billion. Bisher war es unpraktisch, 400 Sensoren auf einem Chip unterzubringen und sie an der Brille eines Benutzers anzubringen. Darüber hinaus verstehen die Forscher den Geruchscode, der bestimmte Kombinationen von Rezeptoren stimuliert, die das Gehirn zur Wahrnehmung von Gerüchen veranlassen, noch nicht vollständig. Glücklicherweise kannten Costanzo und Coelho jemanden, der beide Probleme lösen konnte.

Forschungsfortschritte bei elektronischen Nasen und Hirnstimulation

Heute werden elektronische Nasen in einer Vielzahl von Industrie-, Büro- und Wohnumgebungen eingesetzt – wenn Sie zu Hause einen typischen Kohlenmonoxidmelder haben, haben Sie eine sehr einfache elektronische Nase.

„Herkömmliche Gassensoren basieren auf Halbleitern wie Metalloxiden“, erklärt Krishna Persaud, ein führender Forscher der elektronischen Nase und Professor für Chemorezeption an der Universität Manchester im Vereinigten Königreich. Er ist der Berater von Costanzo und Coelho. Bei den typischsten elektronischen Nasengeräten „ändere sich der Widerstand, wenn Moleküle mit dem Halbleitermaterial interagieren, und man könne ihn messen“, sagte Persaud eines Mikrochips. „Dadurch sind sie in einem kleinen Paket sehr praktisch“, sagte er. In den frühen Experimenten des VCU-Teams verwendeten sie handelsübliche Sensoren einer japanischen Firma namens Figaro.

Persaud sagt, das Problem bei solchen kommerziell erhältlichen Sensoren sei, dass sie nicht zwischen vielen verschiedenen Gerüchen unterscheiden können. Aus diesem Grund erforscht er neue Materialien wie leitfähige Polymere, die kostengünstig herzustellen sind, wenig Strom verbrauchen und zu Arrays kombiniert werden können, um eine Empfindlichkeit gegenüber Dutzenden von Gerüchen zu bieten. Für Neuroprothesen „sind prinzipiell Hunderte [von Sensoren] machbar“, sagte Persaud.

Mit Produkten der ersten Generation konnten Benutzer nicht Hunderte verschiedener Düfte riechen. Stattdessen hatte das VCU-Team ursprünglich geplant, einige Rezeptoren für sicherheitsrelevante Gerüche wie Rauch und Erdgas sowie einige angenehme Gerüche einzubeziehen. Sie können sogar Prothesen so anpassen, dass sie den Benutzern Düfte verleihen, die für sie von Bedeutung sind: zum Beispiel den Geruch von Brot für einen Hobbybäcker oder den Geruch eines Kiefernwaldes für einen begeisterten Wanderer.

Die Kombination dieser elektronischen Nasentechnologie mit der neuesten Neurotechnologie ist die Herausforderung, vor der Costanzo und Coelho derzeit stehen. Während sie mit Persaud zusammenarbeiten, um den neuen Sensor zu testen, arbeiten sie auch mit Klinikern in Boston an den besten Möglichkeiten, Signale an das Gehirn zu senden.

Das VCU-Team hat durch Tierversuche den Grundstein gelegt. In Experimenten an Ratten in den Jahren 2016 und 2018 zeigte das Team, dass die Verwendung von Elektroden zur direkten Stimulation von Punkten auf der Oberfläche des Riechkolbens tief im Riechkolben Muster neuronaler Aktivität erzeugte, die Informationen an andere Teile des Gehirns weiterleiteten. Forscher nennen diese Muster Geruchskarten. Doch während die neuronale Aktivität darauf hindeutete, dass die Mäuse etwas wahrnahmen, konnten die Mäuse den Forschern nicht sagen, was sie rochen.

Der HNO-Arzt Eric Holbrook arbeitet oft mit Patienten, die eine Operation in ihren Nebenhöhlen benötigen. Er half dem VCU-Team bei der Durchführung vorläufiger klinischer Studien.

Ihr nächster Schritt besteht darin, Mitarbeiter zu rekrutieren, die ähnliche Experimente mit menschlichen Freiwilligen durchführen können. Sie begannen mit einem von Costanzos ehemaligen Studenten, Holbrook, einem außerordentlichen Professor für HNO-Heilkunde an der Harvard Medical School und Leiter der Abteilung für Augen, Ohren und Nase in Massachusetts. Holbrook verbringt die meiste Zeit damit, die Nebenhöhlen von Menschen zu operieren, einschließlich der Siebbeinhöhle, die unter der Platte cribriformis liegt, einer knöchernen Struktur, die die Geruchsrezeptoren von den Riechkolben trennt.

Holbrook entdeckte 2018, dass das Anbringen von Elektroden an Knochen elektrische Impulse an die Riechkolben sendet. In einer Studie mit wachen Patienten berichteten drei von fünf Freiwilligen über Geruchswahrnehmungen während dieser Stimulation, wobei Gerüche wie „Zwiebel“, „konservierend und sauer“ und „fruchtig“ gemeldet wurden. Aber es riecht nicht gut. Während Holbrook die Studie als einen guten Machbarkeitsnachweis für ein Riechimplantatsystem ansieht, sagt er, dass eine schlechte Leitfähigkeit durch den Knochen ein wesentlicher limitierender Faktor sei. „Wenn wir diskrete, unabhängige Stimulationsbereiche abgeben wollen“, sagte er, „kann dies nicht durch den Knochen erfolgen, sondern muss am Riechkolben selbst erfolgen.“ eine neue Grenze. „Theoretisch“, sagte Coelho, „gibt es viele verschiedene Wege, um dorthin zu gelangen.“ Birne. Coelho erklärte, dass Nasenchirurgen häufig Operationen mit geringem Risiko durchführen, bei denen die Lamina cribriformis durchbrochen wird. „Neu ist nicht, wie man dorthin gelangt oder sich danach aufräumt“, sagte er, „sondern wie man den Fremdkörper dort hält, ohne ein Problem zu verursachen.“ studieren während ihres Krankenhausaufenthalts und verwenden implantierte Elektroden zur Gehirnüberwachung.

Eine andere Strategie besteht darin, den Riechkolben ganz wegzulassen und stattdessen die „nachgeschalteten“ Teile des Gehirns zu stimulieren, die Signale vom Riechkolben empfangen. Unterstützt wird dieser Ansatz von Holbrooks ehemaligem Studenten Mark Richardson, Chefarzt der funktionellen Neurochirurgie am Massachusetts General Hospital. Richardson hält Epilepsiepatienten oft mehrere Tage lang mit Elektroden im Gehirn im Krankenhaus, damit Ärzte feststellen können, welche Bereiche des Gehirns von ihren Anfällen betroffen sind, und chirurgische Behandlungen planen können. Während diese Patienten warten, werden sie jedoch häufig für die neurowissenschaftliche Forschung rekrutiert.

Um die Forschung von Costanzo und Coelho zu erleichtern, bat Richardsons Team Epilepsiepatienten in der Überwachungseinheit, an einem Stäbchen mit einem Geruch wie Minze, Fisch oder Banane zu riechen. Elektroden in ihren Gehirnen zeigten Muster neuronaler Aktivität „in Bereichen, die wir erwartet hatten, und Bereichen, die wir nicht erwartet hatten“, sagte Richardson. Um die Reaktion des Gehirns besser zu verstehen, hat sein Team gerade mit einer weiteren Experimentierrunde mit einem Werkzeug namens Olfaktometer begonnen, das zeitlich präzisere Geruchsausbrüche auslösen soll.

Sobald Forscher wissen, wo das Gehirn als Reaktion auf den Geruch von Pfefferminze aktiv wird, können sie versuchen, diese Bereiche einzeln elektrisch zu stimulieren, in der Hoffnung, das gleiche Gefühl hervorzurufen. „Im Vergleich zur aktuellen Technologie glaube ich, dass wir der Auslösung der Geruchswahrnehmung durch Gehirnstimulation näher kommen als durch die Stimulation des Riechkolbens“, sagte Richardson. Er wies darauf hin, dass es bereits zugelassene Implantate zur Hirnstimulation gebe und sagte, der Einsatz solcher Geräte würde den regulatorischen Weg erleichtern. Die verteilte Natur der Geruchswahrnehmung im Gehirn führt jedoch zu einer neuen Komplikation: Benutzer benötigen möglicherweise mehrere Implantate, um verschiedene Bereiche zu stimulieren. „Möglicherweise müssen wir schnell nacheinander oder gleichzeitig verschiedene Standorte besuchen“, sagte er.

Weg zur Kommerzialisierung

In Europa finanziert die EU ihr eigenes Geruchsimplantatprojekt namens ROSE (Restoring Odor Detection and Identification in Odor Deficiency). Es startet im Jahr 2021 und umfasst sieben Institutionen in ganz Europa.

Thomas Hummel, Leiter der Geruchs- und Geschmacksklinik an der TU Dresden und Mitglied des Konsortiums, sagte, dass die ROSE-Forscher mit der französischen Firma Aryballe zusammenarbeiten, die Mikrosensoren für die Geruchsanalyse herstellt. Die Partner experimentieren derzeit mit der Stimulation des Riechkolbens und des präfrontalen Kortex. „Alle für die Ausrüstung benötigten Komponenten sind bereits vorhanden“, sagte er. „Die Schwierigkeit besteht darin, sie zusammenzubringen.“ Hummel schätzt, dass die Forschung des Konsortiums innerhalb von fünf bis zehn Jahren zu einem kommerziellen Produkt führen könnte. „Es ist eine Frage des Aufwands und der Finanzierung“, sagte er.

Der Experte für elektronische Nasen, Persaud, sagte, die Jury sei sich noch nicht sicher, ob Neuroprothesen kommerziell realisierbar seien. „Manche Menschen mit Anosmie würden alles tun, um dieses Gefühl wiederherzustellen“, sagte er. „Die Frage ist, ob es genug Leute gibt, um einen Markt für dieses Gerät zu schaffen“, sagte er, denn mit Operationen und Implantaten sind immer gewisse Risiken verbunden.

VCU-Forscher haben informelle Treffen mit Aufsichtsbehörden der US-amerikanischen Food and Drug Administration abgehalten und mit den ersten Schritten zur Zulassung des implantierbaren medizinischen Geräts begonnen. Aber Moorhead, ein Investor, der sich eher auf praktische Fragen konzentriert, sagte, dass das Dreamteam die Technologie wahrscheinlich nicht bis zur Ziellinie eines von der FDA zugelassenen kommerziellen Systems bringen werde. Er wies darauf hin, dass viele bestehende Unternehmen für medizinische Implantate über dieses Fachwissen verfügen, beispielsweise das australische Unternehmen Cochlear, das den Markt für Cochlea-Implantate dominiert. „Wenn ich [das Projekt] so weit bringen kann, dass es für eines der Unternehmen attraktiv ist, und wenn ich ein gewisses Risiko für sie eingehen kann, wäre das mein bester Versuch“, sagte Moorehead.

Costanzo sagte, die Wiederherstellung der Geruchs- und Geschmacksfähigkeit der Menschen sei das ultimative Ziel. Aber vorher könnte er ihnen noch etwas anderes geben. Er erhält oft Anrufe von verzweifelten Menschen, die seine Arbeit gesehen haben. „Sie sind sehr dankbar, dass jemand an einer Lösung arbeitet“, sagte Costanzo. „Mein Ziel ist es, diesen Menschen Hoffnung zu bringen.“

Quelle:

https://spectrum.ieee.org/covid-smell-prosthetic

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