Dresden testet die weltweit erste elektronische Nase

Stephan Schön

Dresden. Die erste künstliche Nase steht vor ihrer Anwendung. Ein Implantat, das den verlorenen Geruchssinn beim Menschen ersetzen kann. In Dresden wird dies nun getestet. Entwickelt wurde dieses weltweit erste Implantat dieser Art von einem internationalen Team. Wenn Forschung beginnt, ist der Ausgang oft offen. Erst recht, wie lange es bis zu einer Anwendung dauert. In diesem Fall sind es gut 30 Jahre an Erfahrung, die zusammenkommen mussten: Erfahrung der Gehirnforschung, der Geruchsforschung, der Biologie des Menschen, der Elektrotechnik und ganz wesentlich die Beherrschung neuartiger Mikrosensoren.

30 Jahre Wissen, geschaffen an europäischen Universitäten. So viel, so gut, dass dies ins EU-Pathfinder-Programm der Forschung Horizont 2020 aufgenommen wurde. In den vergangenen Jahren wurde jetzt mit dem Projekt Rose der erste Prototyp eines Implantats geschaffen. Die ersten Tests dazu laufen in der Neurobiologie der Dresdner Uniklinik und im Interdisziplinären Zentrum für Riechen und Schmecken mit seinem Riechlabor an der Uni. Dessen Chef, der Dresdner Medizinprofessor Thomas Hummel, hat hier ein Stück seines Lebenswerks ins Ziel gebracht. Und er hofft, dass das in wenigen Jahren medizinischer Standard wird. Was vor 15 Jahren noch unerreichbar als Utopie erschien.

Künstliche Geruchssensoren senden ans Gehirn

Es geht um den Ersatz defekter, gestörter oder eben fehlender Geruchszellen. „Das ist keineswegs nur eine Ausnahmeerscheinung“, sagt Thomas Hummel. Jeder 20. Mensch kann nicht riechen. Und immer ist damit auch der Geschmackssinn beeinträchtigt. Jeder kennt das, wenn ein Schnupfen in Nase und Mund die Sinne raubt. Das Thema Geruch ist weit komplexer, sagt Hummel. Soziale Folgen sind möglich. Wenn auch die unmerklichen Geruchsstoffe, die Pheromone, nicht erkannt werden. Jene Moleküle in der Luft, die nachweislich eine nonverbale Kommunikation zwischen Menschen ermöglichen. Die Liebe und Abneigung auslösen, Hass, Vertrauen schaffen und eine ganz besondere Mutter-Kind-Beziehung entstehen lassen.

Der Verlust des Geruchssinns kann Folge eines Unfalls sein. Oder die Folge einer Virenattacke wie bei Corona. Jeder 8000. neugeborene Mensch kommt zudem ohne Geruchssinn auf die Welt. Der Verlust des Geruchssinns ist ein eher äußerlich unbemerktes Leiden. Eben anders, als wenn Sehen und Hören abhandenkommen. „Riechen steht von der gesellschaftlichen Bedeutung hinter Sehen und Hören. Man kann sich im Leben damit zurechtfinden, es wird ärmer dadurch, aber bleibt beherrschbar.“ Der Verlust von Hören oder auch Sehen habe heftigere Konsequenzen, sagt Thomas Hummel, aber nicht mehr riechen zu können, sei dennoch ein persönlich krasser Einschnitt. Der eben kein Einzelfall ist. Auch darum war die Forschung an diesem Thema so wichtig.

Die Hauptfunktion der Nase sei erst einmal, dass die Luft für die Lunge sauber, feucht und warm ist. „Das ist ein ganz grandioser Filter, der ein Leben lang funktioniert“, sagt Hummel. 360 unterschiedliche menschliche Riechrezeptoren gibt es. Jeder Mensch benutzt aber nur etwa 200 bis 250 davon, was aber ausreicht, dass die Menschen das Gleiche riechen: Wald als Wald, Sommerwiese als Sommerwiese oder eben Zitrone als Zitrone. 6 bis 30 Millionen Riechzellen hat ein Mensch. „An der Nasenspitze ist noch gar nichts. Die Riechzellen sitzen oben im Nasenloch, zwischen den Augen. Wie ein Sensor, der die Düfte aus dem Atemluftstrom abgreift.“ Diese Positionierung schützt die empfindlichen Sensoren.

Diese biologischen Sensoren werden unterschiedlich aktiviert. Dabei entstehen Geruchs-Muster. „Das ist ein bisschen so wie beim Lesen: Buchstaben ergeben Wörter. Wörter ergeben Sätze und Sinn.“ Auch Geruch wird so zusammengebaut. „Diese Geruchs-Muster entstehen in der Riechschleimhaut. Dort werden sie vorbereitet. Von dort dann weiter projiziert über die Nervenfasern ins Gehirn.“ Über den Augen im Stirnbereich findet im Gehirn das Riechen statt. Mehrere Zentren und Bereiche des Gehirns sind daran letztlich beteiligt.

Ohne Daten aus der Nase keine Wahrnehmung im Gehirn. Diese Daten soll nun das elektronische Nasenimplantat liefern. „Es ist zwar illusorisch, den Betroffenen die komplette Riechwelt zurückzugeben, aber einen bestimmten Teil davon, das gelingt“, ist sich der Mediziner sicher.

„Ziel ist ein implantierbares System.“ Nach drei Jahren im EU-Projekt sind jetzt alle Bestandteile vorhanden, sagt Hummel. Auch das Interface für die Wandlung der wahrgenommenen Geruchsmoleküle in elektrische Signale für das Gehirn.

Die medizinische Anwendung rückt näher

64 mal 64 Sensoren sind auf dem winzigen Mikrochip. Das sind also gut 4000 Sensoren auf der Millimeter kleinen Spitze: 64 unterschiedliche Sensoren stehen hier für einzelne Geruchsmoleküle oder Gruppen davon zur Verfügung. Diese reagieren auch unterschiedlich sensibel, je nach Anzahl der Moleküle. Dabei bilden sich Muster, geformt durch Frequenzen und Reizstärke. Es entsteht eine Riechempfindung, und die ist eben unterschiedlich bei Orange und Pfirsich, bei Zitrone oder Spinat. Ein Geruchs-Muster entsteht. „Das Gehirn muss nun lernen, damit umzugehen. Die Erfahrungen sammeln. Und das macht es auch.“

Gemeinsam mit der Neurochirurgie in Dresden wird dies in Pilotstudien jetzt getestet, aber noch nicht implantiert. „Aber ja, wir sehen, es funktioniert. Zum Beispiel kann man Zitronengeruch auslösen oder den Geruch von Spinat.“

Seit knapp vier Jahren läuft dieses EU-Projekt Rose und wird Ende dieses Jahres erfolgreich abgeschlossen. So viel steht schon mal fest. Lyon ist beteiligt mit der Gesamtleitung, Partner aus der Schweiz mit der Sensorelektronik, Mailand mit dem Design, und weitere sind dort dabei.

Von den insgesamt 3,5 Millionen Euro hat Dresden etwa 700.000 Euro bekommen. Und erarbeitet soeben mit den Partnern das Nachfolgeprojekt für medizinische Studien zur serienmäßigen medizinischen Anwendung.

„Ich bin kein Firmengründer, ich bleibe Forscher“, sagt Hummel. „Aber es gibt dazu konkrete Überlegungen. Wenn dies als Medizinprodukt auf den Markt kommt, dann wäre das Dresdner Riechzentrum mit das erste, das dies anwenden würde. Ganz optimistisch, eventuell schon in vier, fünf Jahren.“ Manchmal dauert Forschung halt, lang und länger. Nach 30 Jahren kommt dies nun unmittelbar bei den Menschen an.

SZ