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03. Oktober 2016

Schweizer forschen für Behinderte

Am ersten Cybathlon treten diese Woche in Kloten ZH körperbehinderte Athleten aus 24 Ländern gegeneinander an. Sie nutzen technische Hilfsmittel, die immer raffinierter werden. Schweizer Forscherinnen und Forscher sind bei deren Entwicklung ganz vorne mit dabei.

Josep Ballester
Neuer Rollstuhl im Härtetest: Josep Ballester trainiert für den Cybathlon – beobachtet von Teamkollege Bernhard Winter

Am 8. Oktober treten 80 Athletinnen und Athleten aus aller Welt in der Swiss Arena in Kloten ZH gegeneinander an. Zu den sechs Disziplinen gehören ein virtuelles Rennen mit Gedankensteuerung, ein Parcours mit Stützrobotern (Exoskelette), dank denen Menschen schwere Lasten tragen können, sowie einer mit motorisierten Rollstühlen. Die Sportler haben alle etwas gemeinsam: Es sind Menschen mit einer körperlichen Behinderung, die die neusten Assistenzsysteme nutzen, um alltägliche Hindernisse und Herausforderungen zu bewältigen.

«Ich erhoffe mir, dass durch den Anlass unsere Forschungsarbeit breiter bekannt wird», sagt Robert Riener (47), Organisator des Cybathlons und ETH-Professor für sensomotorische Systeme am Departement für Gesundheitswissenschaften und Technologie, das er auch leitet. «Wir wollen zeigen, was technisch alles möglich ist, aber auch, wo die Grenzen der heutigen Technologien liegen.»

Aus Rieners Sicht ist die Schweiz führend in der Forschung der Medizintechnik. Das Migros-Magazin hat fünf Forschende getroffen und mit ihnen über ihre Arbeit gesprochen. Einige konnten ihre Geräte bereits mit Betroffenen testen.

Der Rollstuhl, der Treppen steigt

Mit der Neuentwicklung des ETH-Teams können sogar Treppenstufen überwunden werden.
Mit der Neuentwicklung des ETH-Teams können sogar Treppenstufen überwunden werden.

Es wirkt noch etwas schwerfällig und dauert auch eine ganze Weile, aber es funktioniert: Josep Ballester (23), seit seinem Sportunfall vor zehn Jahren querschnittgelähmt, hat mit einem neuartigen Rollstuhl sämtliche Treppenstufen des Testparcours überwunden.

Der ETH-Management-Student ist Teil des zehnköpfigen Entwicklerteams , das den Rollstuhl gebaut hat. «Der Übergang zwischen der Ebene und den Treppen ist noch immer etwas knifflig, ansonsten könnte man ihn schon jetzt prima im Alltag einsetzen», sagt Ballester, der auch sonst viel im Rollstuhl unterwegs ist. «Aber das wird im nächsten Schritt noch ganz automatisiert, dann klappt es problemlos und wird sich auch sicher anfühlen.»

Ein treppensteigender Rollstuhl wäre für ihn auf jeden Fall sehr nützlich, sagt der junge Spanier. «Im Alltag steht man dauernd vor irgendwelchen Treppen, wo man nicht weiterkommt, und wenn es nur drei Stufen sind.» Ballester schätzt, dass es noch etwa zwei Jahre dauert, bis aus dem Prototyp für den Cybathlon ein marktfähiges Produkt entsteht. Das nämlich ist das erklärte Ziel, das er mit seinen Kollegen Bernhard Winter (22), Miro Voellmy (23), Thomas Gemperle (29) und Pascal Buholzer (25) verfolgt, die alle an der ETH Maschinenbau studieren. Sie planen, auch eine Firma zu gründen, wollen jedoch zuerst noch ihr Studium abschliessen, was die Arbeit am Rollstuhl etwas verzögert. Bisher tüfteln sie ausschliesslich in ihrer Freizeit daran.

Aufgrund des Feedbacks von diversen Testnutzern haben sie bereits vieles verbessert. Und die technischen Hürden sind an sich genommen. «Aber es braucht noch ein Redesign, damit der Rollstuhl günstiger produziert werden kann», sagt Buholzer, «und darin stecken auch einige technische Herausforderungen.» Zudem muss der Rollstuhl je nach Art der Behinderung andere Funktionen aufweisen, um ihn steuern zu können.

«Und dann braucht es noch diverse Zertifizierungen», ergänzt Bernhard Winter, «es gibt in diesem Gebiet viele Regulierungen, um die Sicherheit zu garantieren.» Am Ende soll der Preis nicht höher sein als für andere elektrische Rollstühle, deren Standard­ausführungen sich zwischen 10 000 und 30 000 Franken bewegen.

Schon jetzt erhält das Team fast täglich Anfragen für das Gerät. «Geld spiele keine Rolle, haben wir jetzt schon einige Male gehört», sagt Miro Voellmy, «Leider müssen wir noch immer alle vertrösten.»

Ein geschädigtes Gehör, das sich (fast) von selbst regeneriert

Wenn Hühner oder Amphibien taub werden, ist das kein grösseres Problem. Nach zwei Wochen hat sich ihr Gehör regeneriert – dank «schlafender» Stamm­­zellen, die dann aktiv werden und die zerstörten Hörzellen im Innenohr wieder nachwachsen lassen.

Diesen Mechanismus wollen sich der Ohrchirurg Pascal Senn (45) und die Biologin Marta Roccio (39) zunutze machen, um auch gehörlosen Menschen zu helfen. Sie leiten gemeinsam das Inner Ear Research Team der Universität Bern, das seit einigen Jahren und mit EU-Geldern daran arbeitet, eine Stammzellentherapie zu entwickeln.

Auch Menschen haben diese Art von Stammzellen, doch die können sich nicht mehr teilen und deshalb nichts nachwachsen lassen. Eine Folge der Evolution: «Unser Innenohr ist sehr viel komplexer als das eines Huhns», sagt Senn, «der Preis dafür ist der Verlust dieser Regenerationsfähigkeit.»

Marta Roccio und Pascal Senn von der Uni Bern forschen an einer neuen Therapie für Hörbehinderte.
Marta Roccio und Pascal Senn von der Uni Bern forschen an einer neuen Therapie für Hörbehinderte.

Ziel der Forscher ist, entweder die vorhandenen Zellen so zu behandeln, dass sie diese Funktion wieder gewinnen, oder Zellen von aussen zu implantieren, die dazu in der Lage sind. Zumindest aber wollen sie so viel von diesem Mechanismus verstehen, um die Innenohrumgebung präventiv zu schützen – etwa bei Operationen oder bei Krebsbehandlungen mit Medikamenten, die als Nebenwirkung das Gehör schädigen.

Als Ohrchirurg wendet Senn sein Forschungswissen bereits heute an. «Solche schützenden Therapien könnten in fünf bis zehn Jahren klinischer Alltag sein», sagt er.

Die Forscher wollen das Innenohr (links) besser verstehen und neue Therapieansätze für Hörstörungen entwickeln, mit denen die wichtigen Haarzellen (grün, Bild rechts) und Hörnervenzellen (rot) im Innenohr geschützt und regeneriert werden sollen.
Die Forscher wollen das Innenohr (links) besser verstehen und neue Therapieansätze für Hörstörungen entwickeln, mit denen die wichtigen Haarzellen (grün, Bild rechts) und Hörnervenzellen (rot) im Innenohr geschützt und regeneriert werden sollen.

Aber auch bei der Regeneration gibt es erste Fortschritte. Marta Roccio berichtet, dass es einem anderen Forschungsteam bei Tierversuchen gelungen ist, taube Mäuse wieder ein wenig hören zu lassen. Weit schlechter allerdings, als dies mit dem heute üblichen Cochlea-Implantat der Fall ist, das es Gehörlosen möglich macht, im Alltag wieder normal zu funktionieren. Aber immerhin. «Auf dieser Basis forschen wir nun weiter», sagt Roccio. «Wir variieren die chemische Zusammensetzung der Medikamente, die wir nutzen, und auch den Einsatzort im Innenohr.» Doch selbst wenn es dann bei Mäusen Erfolge gibt, heisst das noch nicht, dass es beim Menschen genau gleich funktioniert.

Das grosse Ziel ist, das Cochlea-Implantat eines Tages durch eine biologische Therapie komplett zu ersetzen. Aber nur schon eine Kombination könnte hilfreich sein und dazu beitragen, dass ein Patient mit dem Implantat differenzierter und feiner hört, als dies heute der Fall ist. Beide Forscher schätzen allerdings, dass es bis dahin noch mindestens 15 Jahre dauert.

Ein Querschnittgelähmter kann wieder gehen

Werner Witschi (57) stand auf dem Dach einer Sägerei, um zu entscheiden, was es braucht, um Solarpanele einzubauen. Dabei machte der Elektroingenieur aus Kernenried BE einen Schritt rückwärts, krachte durch eine morsche Dachplatte und fiel mehrere Meter hinunter auf einen Holzstapel. Als er am nächsten Tag im Spital aufwachte, war er vom Bauchnabel abwärts querschnittgelähmt. «Ich war dankbar, dass es nicht noch schlimmer gekommen ist», sagt Witschi heute, drei Jahre später.

Gerade eben ist er aus dem Exoskelett des Varileg-Forschungsteams gestiegen, das er derzeit als einer von zwei «Piloten» testet. Die komplexe Konstruktion aus Mechanik und Elektronik ermöglicht es ihm, wieder selbständig zu gehen – mithilfe von zwei Krücken, mit denen er gleichzeitig die Maschine steuert, die seine Beine umhüllt. Zusammen mit dem Computer und den Batterien auf seinem Rücken ist die Konstruktion rund 35 Kilo schwer.

Werner Witschi übt für den Cybathlon-Einsatz. Studierende stehen zur Sicherheit bereit.
Werner Witschi übt für den Cybathlon-Einsatz. Studierende stehen zur Sicherheit bereit.

«Es ist ein schönes Gefühl, wieder einmal aufrecht zu sein», sagt Witschi, der sonst in einem Rollstuhl sitzt und mit diversen anderen motorisierten Gefährten seinen Alltag bewältigt. «Aber als Pilot muss man auch erst mal lernen, wie man sich optimal mit dem Exoskelett bewegt. Am Anfang war es zum Beispiel sehr schwierig für mich, aus dem Sitzen hochzukommen, das geht nun schon deutlich besser.» Er hofft, später mal ein Exoskelett kaufen zu können, um seine Bewegungsmöglichkeiten zu erweitern. «Es ist ein gutes Hilfsmittel, allerdings wird es wohl noch lange dauern, bis so etwas einen Rollstuhl ersetzen kann. Aber es wäre schön, morgens eine Stunde damit laufen zu gehen.»

Gebaut haben das Exoskelett elf Studierende der ETH Zürich: sechs Maschinenbauer, drei Elektrotechniker und zwei Gesundheitswissenschaftlerinnen. «Wir haben es auf der Basis eines Prototyps einer anderen Studiengruppe weiterentwickelt», sagt Patrick Pfreundschuh (21), Bachelor im Maschinenbau. «Wir haben die Struktur des Geräts mechanisch gestärkt, und mit der neuen Software gibt es jetzt auch sehr viel mehr Bewegungsmöglichkeiten. Man kann zum Beispiel die Schrittlängen einstellen und auch rückwärts laufen oder Treppen steigen.» Die Krücken, über die sich all diese Bewegungen steuern lassen, sind via Bluetooth mit dem Computer im Gerät verbunden.

Das Besondere der Maschine ist, dass das Kniegelenk eine gewisse Flexibilität ermöglicht, daher der Name Varileg. Zwar ist damit einiges möglich, aber noch kann man zum Beispiel als Pilot seinen Fuss nicht flexibel dorthin setzen, wo man gerne möchte, das Exoskelett setzt ihn auf Basis der gewählten Schrittlänge. «Da gibts noch einiges Potenzial zur Weiterentwicklung», sagt Pfreundschuh. Er denkt, dass solche ­Maschinen bis in 20 Jahren ganz selbstverständlich im ­Alltag eingesetzt werden. «Rein technisch gibt es eigentlich keine ernsthaften Hindernisse dafür.»

Finanziert hat sich das Team über Sponsoren, teils mit Material-, teils mit Geldspenden. Eine Kommerzialisierung ist vorerst nicht geplant. «Wir wollen ja alle erst mal noch unseren Master machen.» Zwar war das Feedback von Piloten wie Werner Witschi wertvoll, um das Gerät zu verbessern, aber erst beim Cybathlon am 8. Oktober sehen sie wirklich, wie ihr Exoskelett im Vergleich mit anderen abschneidet und wie gross das Entwicklungspotenzial sein könnte.

Neue Therapie soll Blinde wieder sehend machen

Bei Mäusen funktioniert es bereits, und Sonja Kleinlogel (41) ist zuversichtlich, dass in ein paar Jahren auch Menschen von ihrem neuen Therapieverfahren profitieren können. Die Physiologin an der Universität Bern ist auf Optogenetik spezialisiert und arbeitet an einer Gentherapie, um Erblindeten das Augenlicht wiederzugeben. Die Therapie beruht darauf, die Rolle der abgestorbenen Fotorezeptoren zu ersetzen, indem ein lichtsensitives Protein (Opto-mGluR6) in noch vorhandene Nervenzellen der Netzhaut gebracht wird. Das heilende Protein wird mit einem «Gen-Taxi», einer leeren und unschädlichen Virushülle, in die Zielzellen gebracht. Dazu wird die Viruslösung unter Lokalnarkose direkt in den Augapfel gespritzt.

Sonja Kleinlogel entwickelt in ihrem Labor an der Universität Bern eine Gentherapie für Blinde.
Sonja Kleinlogel entwickelt in ihrem Labor an der Universität Bern eine Gentherapie für Blinde.

Die einst blinden Mäuse nehmen auf diese Weise räumliche Lichtreize wieder wahr. «Nicht ganz so gut wie normalsichtige Mäuse, aber nahezu, soweit wir das beurteilen können», sagt Kleinlogel. Menschen sehen natürlich ganz anders als Mäuse, und so arbeitet sie nun mit ihrem Team daran, das Verfahren für den Menschen vorzubereiten. In zwei Jahren sollen erste klinische Tests starten, in Zusammenarbeit mit der eigens dafür gegründeten Medtech-Firma Haag-Streit. Erste Experimente finden derzeit mit ­gespendeten menschlichen Netzhäuten statt und verlaufen vielversprechend. Erst aber gilt es, administrative Hürden zu nehmen sowie sicherzustellen, dass es möglichst keine Nebenwirkungen gibt. Vor dem Menschen wird die endgültige Therapie noch an Schweinen geprüft.

Einst blinde Mäuse reagieren dank Kleinlogels Gentherapie heute wieder auf Lichtreize.
Einst blinde Mäuse reagieren dank Kleinlogels Gentherapie heute wieder auf Lichtreize.

Kleinlogel hält es für realistisch, dass ein Patient nach der Therapie nicht nur wieder Bücher lesen kann: «Wir erwarten, dass wir relativ nahe an das reguläre Sehvermögen herankommen und damit wieder ein normales Alltagsleben möglich ist.» Das alles jedoch, zumindest vorerst, nur in Schwarz-Weiss. «Das ist ein genetisches Problem, an dem wir noch arbeiten.» Das Verfahren funktioniert zudem nur bei den Blinden, die früher einmal gesehen haben und bei denen die Lichtrezeptoren abgestorben sind, aus Altersgründen oder wegen Krankheiten. «Das betrifft die meisten. Nur denen, die von Geburt an nichts sehen, können wir so nicht helfen.»

Schon jetzt erhält die Physiologin Anfragen von Leuten, die sich für die Therapie interessieren. «Ich hoffe, dass wir diesen Menschen später helfen können.» Aber noch muss sie alle vertrösten, bis zu den ersten klinischen Studien in etwa zwei Jahren.

Eine Handprothese mit Gefühlssinn

Von Armmuskeln gesteuerte elektromechanische Handprothesen gibt es schon länger. Damit können Menschen, die ihre Hand verloren haben, einige ihrer Funktionen wiederherstellen. Aber weil sie die künstliche Hand nicht fühlen können, müssen sie sie ohne Unterlass beobachten, um sicher zu sein, dass sie auch tut, was sie soll. «Das ist lästig, deshalb sind solche Prothesen gar nicht so beliebt», sagt Edoardo D’Anna (25). «Mit unserer bionischen Hand wollen wir das ändern.» Der Bioingenieur-Doktorand arbeitet im Rahmen eines grossen europäischen Projekts mit einem kleinen Team am Zentrum für Neuroprothesen der ETH Lausanne (EPFL) an einer künstlichen Hand, die ihrem Träger auch das Gefühl in den Fingern zurückgibt.

Edoardo D’Anna entwickelt an der EPFL in Lausanne eine Handprothese, deren Fingerspitzen fühlen können.
Edoardo D’Anna entwickelt an der EPFL in Lausanne eine Handprothese, deren Fingerspitzen fühlen können.

Dies passiert über Sensoren an den Fingerspitzen und mit Elektroden, die direkt in die Nervenbahn des Armstumpfs implantiert werden. Kabel verbinden die Sensoren an den Fingern mit einem Computer, der über die Elektroden die Nervenfasern so stimuliert, dass im Gehirn die richtigen Signale ankommen. «Wir arbeiten derzeit an drei Dingen: Unterscheidung verschiedener Texturen, ein Gefühl für den Körperteil im Raum sowie die Grifffestigkeit», erklärt D’Anna. Letzteres funk­tioniert bereits ziemlich gut. «Wir haben das mit Schokoküssen getestet, die ja sehr fragil sind. Und inzwischen gelingt es zuverlässig, sie lediglich via Gespür so zu greifen, dass sie nicht kaputtgehen.»

Das Team hat die bionische Hand auch schon mit einigen Patienten getestet. Der allererste war der dänische Immobilienentwickler Dennis Aabo Sørensen (38), der 2003 bei einem Feuerwerksunfall in der Silvesternacht seine Hand verlor. Eine Rakete war fehlerhaft und explodierte in seiner Hand. Sørensen hat normalerweise eine Roboterhand, die er mit seinen Muskeln steuert. 2013 konnte er in Rom fünfeinhalb Wochen lang die bionische Hand der EPFL testen. «Es war fantastisch», sagt er rückblickend. «Natürlich kommt es noch nicht an die Sensibilität einer realen Hand heran, aber es fühlte sich erstaunlich ähnlich an. Und in Echtzeit wahrzunehmen, was die künstlichen Finger berühren, war einfach wunderbar.»

Am liebsten hätte er die Hand gleich behalten, aber das ging leider nicht. «Meine aktuelle Prothese kann etwa 40 Prozent einer echten Hand ersetzen, die bionische Hand etwa 80 Prozent.» Sørensen ist optimistisch, dass er irgendwann in naher Zukunft eine solche Hand im Alltag wird nutzen können.

Ein EPFL-Film über die ersten Tests mit Dennis Aabo Sørensen (Quelle: EPFL).

Als er 2013 die Tests machte, war der dafür notwendige Computer noch eine riesige Maschine, die neben ihm stand. Inzwischen passt das Gerät in ­einen Rucksack auf den Rücken – diese Verkleinerung war ein Teil von D’Annas Arbeit in den letzten Jahren. «Für den täglichen Gebrauch müsste man den Computer noch weiter verkleinern, das jedoch kostet Geld.» Ein Thema wird dies also erst bei ­einer allfälligen Kommerzialisierung. Einige von D’Annas Teamkollegen haben ein Start-up gegründet, das genau dies plant. «Es ist aber nicht ganz leicht, denn der Markt für die bionische Hand ist auch global gesehen relativ klein. Es wird sich damit also nicht so viel Geld verdienen lassen, was es schwierig macht, Investoren zu finden.»

Die bionische Hand mit Fingerspitzengefühl.
Die bionische Hand mit Fingerspitzengefühl.

Noch aber gibt es in der Forschung viel zu tun, denn je nachdem, wo in der Nervenbahn die Elektroden implantiert sind, fühlt sich das für den Betroffenen etwas anders an. «Jeder Patient muss also für sich lernen, wie es sich anfühlt, wenn die Handsensoren etwas berühren. Und bisher sind wir beim Unterscheiden von Texturen auf drei limitiert, mehr geht noch nicht.» Noch gar nicht beschäftigt hat das Team sich mit Kälte und Wärme, obwohl die Tests gezeigt haben, dass die Sensoren diese Unterschiede übermitteln können. «Es gibt noch viel zu tun», sagt D’Anna. Die Gefühle sollen noch natürlicher und vielseitiger werden. Dafür braucht es ausgereiftere Elektroden, die die einzelnen Nervenfasern gezielter stimulieren können. Und es gilt auch zu testen, ob die Implantate nicht nur über ein paar Wochen sondern über längere Zeit funktionieren, idealerweise lebenslang.

«Ich denke, in fünf Jahren dürfte es eine solche Hand auf dem Markt geben», schätzt D’Anna. «Und wenn alles gut läuft, haben wir bis in zehn Jahren eine Prothese, die nahezu die Fähigkeiten einer gesunden Hand ersetzt.» Mit dem perfekten Interface liesse sich theoretisch sogar 100 Prozent erreichen. «Aber das ist derzeit noch Science Fiction.»

Autor: Ralf Kaminski

Fotograf: Ruben Wyttenbach