Sie sind längst in dem Alter, in dem der Mensch eine Lesebrille braucht: Rudolf Guthoff, 60, und Georg Bretthauer, 62. Denn mit den Jahren verliert die in der Kindheit noch sehr flexible Linse des menschlichen Auges ihre Elastizität und wird immer steifer. Sie kann sich nicht mehr ausreichend krümmen (akkommodieren), wenn man versucht, bei schlechter Beleuchtung eine klein gedruckte Speisekarte zu lesen oder einen Knopf anzunähen. Presbyopie oder Alterssichtigkeit heißt das Phänomen.
Weder der Augenarzt Guthoff noch der Ingenieur Bretthauer leiden besonders unter dieser Sehschwäche. Sie behelfen sich mit Gleitsichtgläsern vor den Augen, wie die meisten anderen Senioren auch. Doch die beiden Professoren verfolgen seit sieben Jahren ein Projekt, das die Gleitsichtbrille bald überflüssig machen könnte: Ein intelligentes Implantat im Auge soll jedem, der die 50 überschritten hat und den Mut zu einer kleinen Operation aufbringt, die Akkommodationskraft seiner Jugend wiedergeben. Wenn alles gut geht, könnten sich die ersten Freiwilligen bereits 2014 unters Messer begeben.
AUF DER SUCHE NACH NEUEN AUFGABEN
Klingt vermessen? Ist es auch. Amerikanische Experten sprechen von der „größten Herausforderung der Augenärzte in den nächsten 20 Jahren”. Doch die beiden, die sich hier gefunden haben – am Rande einer Konferenz an der Ostsee im Jahr 2002 –, könnten den Durchbruch schaffen. Denn sie sind hochmotiviert: Der Mediziner Guthoff, Leiter der Universitäts-Augenklinik in Rostock, will raus aus der Routine. „Die Operation gegen den Grauen Star mit Einpflanzung einer künstlichen Linse ist die häufigste implantationschirurgische Operation überhaupt”, sagt er. „Pro Jahr werden weltweit über sieben Millionen Kunstlinsen eingesetzt.” Er selbst hat bereits rund 10 000 Patienten mit solchen Linsen aus Plexiglas oder verwandten Kunststoffen versorgt. „Wer ein echter Wissenschaftler ist, sucht sich neue Aufgaben”, sagt der Mann mit dem wachen Blick. Warum sollten nur Patienten mit Grauem Star künstliche Linsen tragen? Warum nicht alle, die unter Altersweitsichtigkeit leiden?
Sein Partner Bretthauer, Leiter des Instituts für Angewandte Informatik am Forschungszentrum Karlsruhe, hat grundsätzlich Spaß daran, „Probleme zu lösen, die man für unlösbar hält”. Bekannt geworden ist sein Institut durch ein Trainingssystem für die minimal-invasive Chirurgie und eine künstliche Hand mit sogenannten Flüssig- oder Fluid-Aktoren, die sich beinahe wie eine menschliche Hand bewegen lässt und anfühlt. Den internationalen Forschungspreis der BMW-Group „Passion for Innovation” haben Nachwuchskräfte aus Bretthauers Team schon zweimal abgeräumt. Außerdem eilt dem Kybernetiker der Ruf voraus, „hartnäckig im Verfolgen selbst gesetzter Ziele” zu sein. Der Spitzenforscher aus der DDR, der erst im vereinigten Deutschland eine Professur erhielt – er lehrt an der Universität Karlsruhe –, ist auch ein Stratege, der Gelder beschaffen und Heerscharen von Doktoranden um sich sammeln kann. Und wenn er ein Projekt aufgeben muss, fängt er ein neues an.
WELTWEIT 1,4 MILLIARDEN KUNDEN
Jetzt also das künstliche Akkommodationssystem. Die Helmholtz-Gemeinschaft fördert das Vorhaben im Rahmen ihrer Grundfinanzierung mit rund einer Million Euro jährlich. Firmen wie Zeiss und die Würzburger Wittenstein AG stehen in den Startlöchern, um das „intelligente Implantat” eines Tages herzustellen und zu vermarkten. Bretthauer träumt schon jetzt von 1,4 Milliarden Kunden weltweit und vielen neuen Arbeitsplätzen in Deutschland. Aber bis es so weit ist, müssen er und seine Nachwuchswissenschaftler noch ein paar Hausaufgaben machen. Fünf technische Herausforderungen gilt es zu lösen.
1. DIE LINSE
Eine akkommodationsfähige Kunstlinse darf nicht steif und starr sein, so viel ist klar. Plexiglas kommt also nicht in Frage. Was dann? Eine verformbare weiche Linse nach natürlichem Vorbild wäre das Einfachste. Dazu laufen im Forschungszentrum Karlsruhe, das seit diesem Jahr zusammen mit der Universität Karlsruhe als „Karlsruhe Institute of Technology” firmiert, seit Längerem Versuche. Zum Einsatz kommt ein elastischer Kunststoff, der bei Verformung Brechkraft-Änderungen von 13 Dioptrien erlauben soll. Das ist mehr, als man für eine Lesehilfe braucht. Doch die weiche Linse steht nicht mehr vorn auf der Favoritenliste. „Sie zu verformen, bräuchte zu viel Energie”, erläutert Ingo Sieber, der als Geophysiker und Experte für Wellenfelder aller Art den Weg in Bretthauers Team gefunden hat.
Auch ein weiterer Kandidat ist bereits aus dem Rennen geschieden: eine einzelne, axial verschiebliche Linse, wie sie im Handel bereits angeboten wird. Sie ändert ihre Brechkraft, indem sie auf der Längsachse des Auges ein wenig nach vorn beziehungsweise nach hinten rutscht. „Nicht weit genug”, fanden die jungen Ärzte und Ingenieure bei Simulationen im Labor, aber auch mithilfe von Ultraschall-Untersuchungen an Patienten. „ Wollte man dieses Prinzip technisch verwenden, bräuchte man drei hintereinander geschaltete Linsen, also eine Tripel-Optik”, sagt Sieber. Doch es gibt Alternativen: Georg Bretthauer ist recht angetan von sogenannten Alvarez-Humphrey-Linsensystemen. Das sind Halbschalen, die übereinander hinweggleiten können wie zwei Gurkenscheiben – nur dass sie nicht glatt durchgeschnitten sind, sondern auf raffinierte Weise gekrümmt. Beim Gleiten ändern sie ihre Brechungseigenschaften (siehe Grafik rechts). Oder wie wäre es mit Elektrowetting? Ein ganz neues Verfahren, entwickelt von zwei konkurrierenden Firmen, Philips und Varioptic. Hierbei sind eine leitfähige wässrige Flüssigkeit und eine nichtleitende ölige Flüssigkeit übereinander geschichtet und durch einen Stromkreis verbunden. Je nachdem, ob der Strom fließt oder nicht, ist die Schicht zwischen den beiden Flüssigkeiten konvex oder konkav geformt. Ähnlich aufgebaut ist die „Fluid-Linse”, bei der zwei nicht mischbare Flüssigkeiten mit unterschiedlichem Brechungsindex eine Grenzfläche bilden. Winzige Pumpen verändern das Flüssigkeitsvolumen in beiden Kompartimenten – dabei wird die Grenzfläche mehr oder weniger stark gekrümmt.
2. DAS ANTRIEBSSYSTEM
Egal, für welches Prinzip sich die Karlsruher Linsenspezialisten letztlich entscheiden: Für die Akkommodation wird ein „Aktor” gebraucht – ein Bauelement, das für Bewegung sorgt. Im menschlichen Auge ist dafür der Ziliarmuskel zuständig. Er hält die mit der Linse verbundenen Zonula-Fasern unter Spannung. Zieht sich der ringförmige Muskel zusammen, lässt die Spannung der Fasern nach, und die Linse wird kugeliger, sie akkommodiert – allerdings nur in jungen Jahren. Forscher aus Houston/Texas haben in Versuchen an Affen nachgewiesen, dass der Ziliarmuskel auch noch im hohen Alter seine Kraft behält – aber die erstarrte Linse macht dann nicht mehr mit, sie bleibt flach. Auch Affen kennen also das Problem der Alterssichtigkeit.
Weil der Muskel noch arbeitet, haben Mediziner und Medizintechniker lange das Ziel verfolgt, eine elastische Kunstlinse ins Auge zu setzen und sie weiterhin durch den Ziliarmuskel bewegen zu lassen. Doch Guthoff und Bretthauer sind zu dem Ergebnis gekommen, dass das nicht klappen wird. Denn egal, was die Operateure nach Entnahme der gealterten Linse in die verbleibende Hülle, den sogenannten Kapselsack, einfüllen werden: Er wird sich verhärten, weil er den Fremdkörper in seiner Mitte nicht mag. Es wird also ein technisches System erforderlich sein, das den Muskel ersetzt und die Kraft aufbringt, die neue Kunstlinse zu verformen – sei es durch Verschieben wie bei der Tripel-Optik und den Alvarez-Humphrey-Linsen oder sei es durch Ansteuerung einer Mini-Pumpe wie bei der Fluid-Linse. Ein solcher Aktor wird jetzt gesucht.
Winzige Kohlenstoffröhrchen sind in der Nanotechnik populär. Doch bei der Bretthauer-Truppe sind sie schon durchgefallen. Sie eignen sich für vieles, stellte sich heraus, jedoch nicht fürs Auge. „Aber im Mikrobereich gibt es noch etliche andere geeignete Aktoren”, sagt Doktorand Thomas Martin, ein Maschinenbauer, und zählt auf: „Elektrostatische Aktoren, Piezo-Aktoren, Piezo-Ultraschall-Aktoren, elektroaktive Polymere”. Wofür er sich entscheiden würde? Martin will sich noch nicht festlegen, doch die Auswahlkriterien nennt er: „Eine lange Lebensdauer. Eine Reaktionsdynamik, die unter einer halben Sekunde liegt. Und ein geringer Energiebedarf.”
3. DIE ENERGIEVERSORGUNG
Der menschliche Körper versorgt seine Muskulatur mit Energie, indem er Nahrungsmittel zu Traubenzucker (Glukose) abbaut. Die Glukose bringt er mit dem Blutstrom an den Ort des Geschehens. Doch wie könnte ein technisches Äquivalent aussehen? „Die Ingenieure haben da verschiedene Verfahren entwickelt”, sagt Mediziner Guthoff geheimnisvoll. „Sie sprechen von ‚energy harvesting‘ und meinen, das kriegen sie hin.” Energy harvesting bedeutet „Energie ernten”. Geerntet werden soll aus dem Körper selbst. „Eine Möglichkeit wäre, die Glukose aus der Augenflüssigkeit zu nutzen”, sagt Doktorand Jörg Nagel, ein Mechatroniker. Dazu wäre ein chemischer Prozess erforderlich, der Energie aus dem Traubenzucker gewinnt. „Eine weitere Idee ist ein Schwingungswandler, der die Augenbewegungen in Energie übersetzt.” Auch Licht könnte zum Gewinnen von Energie genutzt werden – oder die Temperaturdifferenz des Körpers zur Außenwelt. „Der Patient sollte den ganzen Tag über autonom leben können”, betont Nagel. Er sollte keine Batterie mit sich herumschleppen müssen, die sein Implantat von außen versorgt.
4. DIE REGELUNG DES SYSTEMS
Wie das menschliche Auge die Nah-Akkommodation seiner Linse regelt, hat im Prinzip schon der Physiker und Physiologe Hermann von Helmholtz im 19. Jahrhundert verstanden. Allerdings ist die Sache komplizierter, wenn man das Auge mit dem Blick eines Systemtechnikers betrachtet: Schaut ein Mensch statt auf den Horizont plötzlich auf die eigene Nasenspitze, so wird außer der Linse auch der Winkel verstellt, in dem die beiden Augäpfel zueinander stehen. Die Mediziner sprechen von Konvergenz. Gleichzeitig verengt sich die Pupille. Alle diese Reaktionen steuert das menschliche Gehirn in Form gekoppelter Regelkreise. Es sind unbewusste Reflexe, und sie sind enorm komplex. Wer einem Menschen ein Implantat einbauen will, das sich selbst verstellt, greift in diese Regelkreise ein.
Muss er sie dazu komplett verstanden haben? Simon Klink, der seine Doktorarbeit im Team von Georg Bretthauer gemacht hat, meint, dass das nicht nötig sei. „Man muss sie nur angemessen modellieren”, sagt der Mechatroniker. Das hat er geschafft, und nun gibt es diese Modelle: einerseits in Form eines Computerprogramms, andererseits in Form eines mechanisch-elektronischen Nachbaus des menschlichen Sehsystems im Maßstab 1 zu 5. Die Apparatur mit den künstlichen Augen, die fünfmal so groß sind wie Menschenaugen, ist im Karlsruhe Institute of Technology zu bewundern. Dieser „Demonstrator II” hat den „Demonstrator I” abgelöst, bei dem man nur einzelne Komponenten prüfen konnte. Jetzt testet man schon mehrere Komponenten im Zusammenspiel. Die künstlichen Linsen, die momentan in den Simulator eingebaut werden, sind Alvarez-Humphrey-Linsen – Sonderanfertigungen des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF) in Jena.
Doch woher weiß so eine künstliche Linse, wie stark sie das Licht brechen muss? Wie ermittelt sie den Akkommodationsbedarf? Schließlich steht die Linse nicht mit einem Gehirn in Verbindung, das registriert, wohin der Mensch schaut. Klink hat sich dafür einen genialen Trick ausgedacht: Sein künstliches Akkommodationssystem misst die Winkelabweichung jedes Auges von der Richtung des Erdmagnetfeldes und errechnet dann die Differenz zwischen beiden Augen. „Man kann den Kopf verdrehen, wie man will – man erhält immer ein eindeutiges Ergebnis”, sagt der frisch promovierte Ingenieur.
5. DIE INTEGRATION
So ähnlich soll das dann auch funktionieren, wenn die Linsen – im richtigen Maßstab natürlich – in den Augen eines Menschen stecken. Oder zunächst einmal in denen eines Kaninchens. „Die aktuellen Modelle kriegen wir natürlich nicht in ein Kaninchenauge”, sagt Rudolf Guthoff. Doch in fünf Jahren, meint der Augenarzt, könnte es so weit sein. Dann könnten in Rostock die ersten Tierversuche beginnen. Guthoff arbeitet zu diesem Zweck mit dem Institut für Biomedizinische Technik an der örtlichen Universität zusammen. Die Anforderungen, die der Mediziner an ein künstliches Akkommodationssystem stellen muss, sind klar: „Ein verkapseltes System, aus dem nichts herausläuft und das den vorgesehenen Bauraum nicht überschreitet.” Der Bauraum ist der Platz, den die natürliche Linse im Auge beansprucht. Viel größer darf die künstliche nicht werden. Und noch etwas ist wichtig: „Keine Drähte, keine Kabel!”
Für die Integration aller Bauteile auf kleinstem Raum ist eine junge Ingenieurin verantwortlich: Liane Rheinschmitt. Die Doktorandin macht sich schon jetzt Gedanken, wie sie alle Teile auf einem Scheibchen von einem Zentimeter Durchmesser anordnen kann – und zwar so, dass die Mitte frei bleibt, denn da soll der Mensch ja durchgucken. Im Grunde steht ihr nur ein zwei Millimeter breiter Ring zur Verfügung. Und da gibt es noch ein weiteres Problem: „Die Plattform ist rund, elektronische Bauteile sind aber in der Regel eckig.” Die Frau, die das Eckige in das Runde fügen wird, soll sich auch eine „biokompatible” Verkapselung ausdenken. „Ich habe schon ein paar Ideen”, sagt sie.
OPERATIONSTERMIN 2014
Rudolf Guthoff, der erfahrene Mediziner, freut sich, wenn er die Ingenieur-Jugend eifrig werkeln sieht, um alten Augen frische Sehkraft zu verleihen. „Wir haben eine ganz reale Chance”, sagt er. „Es liegen Lösungsvorschläge für alle Teilfragen auf dem Tisch.” In jährlichen Workshops tragen die Karlsruher und die Rostocker ihre Ergebnisse zusammen und begutachten den Fortschritt. Auch Georg Bretthauer ist optimistisch. Seinen ehrgeizigen Zeitplan, seine „Roadmap”, will er einhalten. „Im Jahr 2014 bin ich 68″, sagt der Ingenieur schmunzelnd zu seinem Kollegen Guthoff und weist auf die Jahreszahl, die am Ende des Zeitstrahls eingetragen ist. „Dann lasse ich mir das künstliche Akkommodationssystem einbauen.” ■
von Judith Rauch
