Cochlear Nucleus Neuron Growth on Semiconductors

Patienten mit einer fortgeschrittenen sensorineuralen Schwerhörigkeit oder Taubheit können von der Versorgung mit implantierbaren Hörsystemen, wie dem Cochlea-Implantat (CI) oder dem Hirnstammimplantat (ABI=auditory brainstem implant), profitieren. Hierbei werden Höreindrücke unter Umgehung der Cochlea durch direkte elektrische Stimulation auditorischer Neurone erzeugt. Eine günstigere „bioelektronische“ Ankopplung solcher Systeme könnte zukünftig zu einer weiteren Verbesserung der Hörqualität führen. Zielsetzung dieser Arbeit war es, Erkenntnisse über das Wachstumsverhalten und die Beeinflussbarkeit von Nucleus cochlearis(NC)-Explantaten auf verschiedenen Halbleitermaterialien zu gewinnen. Zur Beantwortung dieser Fragestellung wurden NC-Explantate von 10 Tage alten Raten für 96 Stunden in Neurobasalmedium auf den beiden Halbleitermaterialien Silizium (Si) und Siliziumnitrid (Si3N4), jeweils mit verschiedenen Oberflächenbehandlungen und der Beschichtung mit Extrazellulärmatrixproteinen durchgeführt. Dabei wurde nach immunhistochemischer Färbung der Neuriten die Überlebensrate der NC-Explantate, die Neuritenanzahl pro Explantat und die Neuritenlänge in den unterschiedlichen Gruppen bestimmt. Des Weiteren sollten durch elektronenmikroskopische Betrachtung nähere Details über die Wechselwirkung der Neuriten mit ihrer biologischen und alloplastischen Umgebung beobachtet werden. Auf unpolierten Halbleitermaterialien konnte zwar eine gutes Anwachsen, aber keine Neuritenelongation beobachtet werden, weder auf Si noch auf Si3N4. Von den untersuchten Gruppen zeigte poliertes und mit Laminin beschichtetes Si3N4 bezüglich Neuritenlänge und –anzahl im Vergleich zur Kontrollgruppe die beste Biokompatibilität. Unter diesen Bedingungen erreichten die Neuriten eine durchschnittliche Länge von 236µm und waren damit signifikant länger als in allen Vergleichsgruppen. Die hier durchgeführten Untersuchungen zeigten, dass die Zellkultur von NC-Explantaten auf Halbleitermaterialien prinzipiell möglich ist. Die Unterschiede zwischen den einzelnen Gruppen, die Neuritenlänge und –anzahl betreffend, deuten auf eine Beeinflussung des Wachstums von NC-Explantaten durch das verwendete Material, die Oberflächenbeschaffenheit und –beschichtung mit Extrazellulärmatrixproteinen hin. Für weiterführende Untersuchungen auf diesem Gebiet mit dem Ziel der engen Adaptation von auditorischen Neuronen und Mikrochipsystemen bietet sich somit poliertes und mit Laminin beschichtetes Si3N4 an. Durch implantierbare Mikrochiptechnologie und deren Einbindung in neuronale Netzwerke, beispielsweise im Hirnstamm, könnte eine Verbesserung der Hörrehabilitation bei ertaubten Patienten erwartet werden.In patients with severe sensory hearing loss, implantable hearing systems such as cochlear implants (CI) and auditory brainstem implants (ABI) can provide auditory information by electrical stimulation of auditory neurons. The biological adaptation of microelectronics to auditory nerve cells may lead to further improvement in hearing quality for implant users. Whereas several kinds of neurons are known to grow on semiconductor substrates, used in chip technology and neuroelectronics, interactions of cochlear nucleus (CN) neurons with such materials have yet to be described. The here presented investigations show that CN neuron survival and neurite extension on semiconductors is possible. The differences in neuron length and counts per explant indicate that the growth of CN neurons is influenced by the semiconductor substrate as well as extracellular matrix proteins. Laminin coated Si3N4 has been proven to be the preferable material for further hybrid experiments on auditory-neuron-semiconductor chips. Further investigations in this field will be performed to achieve a close adaptation of implantable chip technology to neuronal networks of the auditory brain stem. These new techniques are expected to improve hearing rehabilitation in patients with lesions at the auditory pathway such as acoustic neuroma