Etablierung einer Biokompatibilitätsanalysenstrategie für nicht invasive Laserapplikation anhand humaner Zelllinien

Abstract

Weltweit leiden ca. 466 Millionen Menschen an einer behandlungsbedürftigen Schwerhörigkeit. Trotz der raschen technischen Fortschritte im Bereich der Hörsystemtechnologie sind viele Pati-enten noch immer unzureichend versorgt. Die optoakustische Stimulation bietet eine vielver-sprechende Grundlage für die Entwicklung einer neuen Generation lichtbasierter Hörsysteme. Die Biokompatibilität eines solchen Systems ist eine wesentliche Voraussetzung, um einen si-cheren klinischen Einsatz gewährleisten zu können. Um die Biokompatibilitätsgrenzen unserer Laseramplitudenmodulationsstrategie in einem in vitro-Zellkulturmodell festzulegen, etablierten wir ein Modell, in dem wir drei für Mittelohrstrukturen repräsentative humane Zelltypen (huma-ne Fibroblasten, Chondrozyten und Osteoblasten) untersuchten. Die Zellen wurden mit 532 nm Laserpulsen über eine Zeitspanne von 120 Sekunden mit unter-schiedlichen Laserleistungen unter Anwendung unserer Amplitudenmodulationsstrategie be-strahlt. Die Zytotoxizität wurde anschließend mittels Fluoreszenzfärbung, funktioneller Tests sowie qPCR-Untersuchungen im Hinblick auf 84 Schlüsselgene aus den Bereichen Zellstress und Zytotoxizität bestimmt. Wir konnten eine erste Grenze für die Anwendung unserer Stimulationsstrategie anhand huma-ner Zellen bei einer Laserleistung zwischen 200 mW und 223 mW (3348 J/cm²) feststellen. Le-diglich die Fibroblasten zeigten in der qPCR-Analyse nach Bestrahlung mit einer subphototoxi-schen Leistung von 199 mW (2988 J/cm2) eine Hochregulation von GADD45G. Weiterführende Untersuchungen sind geplant, um die Parameter zur optoakustischen Stimulati-on des Hörorgans zu optimieren. Die in dieser Arbeit beschriebenen Ansätze und Daten bezüg-lich Laser-Gewebewechselwirkungen könnten außerdem, insbesondere im Zusammenhang mit translationaler Laser-Forschung und im Hinblick auf eine Applikation in zahlreichen weiteren biologischen Strukturen als wertvolle Referenz dienen.

Approximately 466 million people worldwide suffer from disabling hearing impairment. De-spite rapid advances in hearing aid technology, many of these are still not sufficiently supplied with auditory prostheses. The optoacoustic stimulation of the peripheral hearing organ is a promising novel technology for the development of a new generation of light-based hearing devices. Since the biocompatibility of such a device is an essential prerequisite to ensure its safe clinical use, we sought to define the safety margins of our laser amplitude modulation strategy. For the herein presented in vitro analysis, we established a model in which we examined three human cell types that are representative for outer and middle ear structures (human fibroblasts, chon-drocytes, and osteoblasts). Cells were irradiated with 532 nm laser pulses for a period of 120 seconds at different laser powers using our amplitude modulation strategy. Cytotoxicity was then determined by fluores-cence staining, viability assays, and qPCR-analysis with respect to 84 key player genes for cell stress and cytotoxicity. We were able to establish a first set of limits for the application of our stimulation strategy at laser power between 200 mW and 223 mW (3348 J/cm²). Additionally, only the fibroblasts demonstrated a significant upregulation of GADD45G in qPCR analysis after irradiation with a sub-phototoxic power of 199 mW (2988 J/cm2). Further studies are planned to optimize the parameters for optoacoustic stimulation of the audito-ry system. The protocol and data described in this work, regarding laser-tissue interactions, can serve as a valuable reference for translational laser technologies from the prospective of further applications in numerous other biological structures as well.