[Future therapeutic strategies for olfactory disorders: electrical stimulation, stem cell therapy, and transplantation of olfactory epithelium-an overview].

Olfactory disorders may be temporary or permanent and can have various causes. Currently, many COVID-19 patients report a reduced or complete loss of olfactory function. A wide range of treatment options have been investigated in the past, such as olfactory training, acupuncture, medical therapy, transcranial magnetic stimulation, or surgical excision of olfactory epithelium, e.g., in severe qualitative smell disorders. The development of a bioelectric nose, e.g., in connection with direct electrical stimulation or transplantation of olfactory epithelium or stem cells, represent treatment options of the future. The basis of these developments and the state of knowledge is discussed in the following work.

Passagere oder permanente Riechstörungen können verschiedene Ursachen haben. Ganz aktuell berichten eine Vielzahl von Patienten im Rahmen von COVID-19-Infektionen über ein fehlendes oder vermindertes Riechvermögen [60]. Obschon die Prognose selbst bei Patienten mit längerdauernden postviralen Riechstörungen mit ca. 30 % spontaner Besserung innerhalb eines Jahres als eher gut anzunehmen ist, gibt es andere Ursachen, wie z. B. die Riechstörungen nach Schädel-Hirn-Trauma, bei denen die Prognose hinsichtlich der Erholung des Riechvermögens zwar nicht negativ, aber vergleichsweise schlecht ist [19].

Beeinträchtigungen des Riechvermögens sind häufig. Bei etwa einem Fünftel der Bevölkerung findet sich eine Riechminderung [8, 73]. Insgesamt sind ca. 5 % anosmisch [37]. Für Betroffene stellt die Riechstörung eine wesentliche Einschränkung der Lebensqualität dar, und häufig leiden diese unter Depressionen [17, 54]. Unabhängig von der Ursache erhoffen die meisten Patienten eine möglichst rasche und v. a. vollständige Rehabilitation ihrer Riechfunktion [6].

In der Vergangenheit wurden vielfältige Therapieoptionen untersucht, diese variieren vom Riechtraining [55, 65] über Akupunktur [18] und medikamentöse Therapien [31, 56, 61] bis hin zur transkraniellen Magnetstimulation [28] oder, z. B. bei ausgeprägten qualitativen Riechstörungen, zur chirurgischen Resektion der Riechschleimhaut [38, 44]. Die Entwicklung einer bioelektrischen Nase, z. B. in Verbindung mit direkter elektrischer Stimulation des Bulbus olfactorius (BO), und die Transplantation von Riechschleimhaut oder von Stammzellen stellen Behandlungsmöglichkeiten der Zukunft dar.

Grundlagen

Riecheindrücke entstehen, indem Duftmoleküle an olfaktorischen Rezeptoren (OR) in den Zilien der olfaktorischen Rezeptorneurone (ORN) im Bereich des Riechepithels binden. Anschließend wird eine Kaskade aktiviert, die zur Depolarisation des ORN führt und folglich in einem Aktionspotenzial resultiert. Zur Geruchswahrnehmung wird das Aktionspotenzial über die Mitralzellen des BO in weitere Hirnareale fortgeleitet [9, 77]. Wesentlich beeinflusst wird die Geruchsempfindung zudem durch Erfahrung und physische Zustände wie z. B. Hunger. Umgekehrt haben Gerüche auch Einfluss auf Erinnerungen und Emotionen [34].

Der Mensch besitzt ca. 370 Gene, welche OR kodieren[24, 74]. In jedem ORN wird lediglich ein bestimmter Rezeptortyp kodiert [63, 72]. Die jeweiligen ORN, die denselben OR besitzen, projizieren mit ihren Axonen auf nur wenige, topographisch definierte Glomeruli [42, 58, 71], dies bezeichnet man als Konvergenz, die im Riechsystem im Vergleich zu anderen Sinnessystemen sehr ausgeprägt ist. Somit entsteht ein konkretes Aktivierungsmuster im BO [68], anhand dessen das Gehirn in der Lage ist, die entsprechenden Duftqualitäten zu identifizieren. Es wird angenommen, dass diese sensorische Landkarte bei verschiedenen Individuen identisch ist [39].

Neben den ORN befindet sich im Riechepithel aber auch Basalzellen, die ihrerseits Vorläuferzellen für ORN, Stützzellen und mikrovilläre Zellen sind, wobei bei den Basalzellen zwischen horizontalen und globosen Basalzellen unterschieden wird [62]. Durch seine mitotische Aktivität und Differenzierungsfähigkeit erlangt die Riechschleimhaut eine lebenslange Regenerationsfähigkeit, was für ein menschliches Sinnesepithel einzigartig ist. Die Aufgabe der mikrovillären Zellen ist letztlich noch nicht geklärt, sie dienen aber auch sensorischen Funktionen. Die der Stützzellen liegt u. a. in der metabolischen Unterstützung der Funktion der ORN. Im Rahmen von COVID-19-assoziierten Riechstörungen scheinen sie ebenfalls eine zentrale Rolle zu spielen[12]. In der Lamina propria der Riechschleimhaut befinden sich zudem „olfactory ensheathing cells“, ein Gliazelltyp, welche die olfaktorischen Rezeptorneuronen umgeben. Sie gewährleisten elektrische Isolierung und reichen von der Peripherie, und nach Durchtritt durch die ca. 1–2 mm großen Öffnungen der Lamina cribrosa, bis ins zentrale Nervensystem (ZNS) zum BO [16, 64, 78].

Abgesehen vom Alter stellen Infekte, chronische sinunasale Erkrankungen, Schädel-Hirn-Traumen oder neurodegenerative Krankheiten die häufigsten Ursachen von Riechstörungen dar [20]. In der Folge kann das Riechvermögen vollständig erloschen sein, was man als Anosmie bezeichnet. In Abhängigkeit von der Genese der Riechstörung können die Beschwerden vorübergehend oder konstant sein. Hinsichtlich COVID-19-assoziierter Riechstörungen ist bemerkenswert, dass häufig eine signifikante Besserung bereits innerhalb von 2 Wochen auftritt [7]. Zudem wurde schon rasch bemerkt, dass die Beeinträchtigung der Riechfunktion ein Frühsymptom darstellt und dieses typischerweise um den vierten Tag der Erkrankung auftritt. Der plötzliche Beginn der Riechstörung ist für eine postinfektiöse Riechstörung eher typisch [50]. Da SARS-CoV-2-Patienten selten über zusätzliche rhinitische Beschwerden klagen, legen pathophysiologische Überlegungen nahe, dass es sich nicht primär um eine konduktive Problematik handelt, sondern eher von einer Schädigung des Riechepithels oder von einer neuronalen Affektion ausgegangen werden muss [32]. Diese Annahme unterstützt die zwischenzeitlich gewonnene Erkenntnis, dass SARS-CoV‑2 über den Oberflächenrezeptor ACE2 in die Zelle gelangt, welcher v. a. von den Stützzellen exprimiert wird. Dies wäre auch eine mögliche Erklärung für die rasche Verbesserung der Riechfunktion, da die ORN selbst nur indirekt betroffen sind [12]. Diskutiert wird zudem ein möglicher Eintritt des Virus über Neuropilin 1 ins Riechepithel und in das Gehirn, sodass COVID-19-assoziierte Riechstörungen auch durch eine Beeinträchtigung der verarbeitenden Zentren im Gehirn zustande kommen könnten [32]. Am Beispiel von SARS-CoV‑2 wird ersichtlich, dass die Ursache der Riechstörung auch Einfluss auf die Verbesserung der olfaktorischen Funktion im Verlauf hat [76]. Trotz vielseitiger Bemühungen, eine suffiziente Therapie für Riechstörungen zu entwickeln, sind die Erfolge auf diesem Gebiet begrenzt.

Verliert ein Mensch eine ganze Sinnesqualität, stellt dies eine erhebliche Beeinträchtigung für das alltägliche Leben des Betroffenen dar. In Bezug auf das Hören lässt sich die angeborene sowie erworbene hochgradige, an Taubheit grenzende Schwerhörigkeit mithilfe eines Cochleaimplantats oft relativ gut behandeln [45, 53]. Eine Analogie für erblindete Personen stellt das Retinaimplantat zur Behandlung degenerativer retinaler Erkrankungen dar. Das erste Produkt dafür wurde 2013 in den USA zugelassen [57]. Diese Arbeiten zeigen, dass eine elektrische Stimulation von Sinnesorganen bzw. Sinnesnerven zu Empfindungen führen kann, die in der Orientierung im Alltag eine außerordentlich große Hilfe sein können.

Neben einer elektrischen Stimulation könnte ein anderer zukunftsweisender Therapieansatz in der funktionellen Wiederherstellung des Riechepithels liegen. Die Idee, defekte Organsysteme durch gesunde zu ersetzen, ist nicht neu. Hauttransplantationen wurden in Asien bereits 600 vor Christus beschrieben [2]. Die erste erfolgreiche Nierentransplantation erfolgte in Paris schon im Jahr 1953 [27]. Am Beispiel von hämatoonkologischen Patienten lässt sich zudem zeigen, wie groß der Stellenwert von Stammzelltransplantationen in unseren heutigen Therapiekonzepten ist [4]. Solche Therapieansätze bieten sich bei der Behandlung von Riechstörungen besonders an, da in der gesunden Riechschleimhaut natürlicherweise Stammzellen vorkommen und sich aus selbigen das Riechepithel regeneriert.

Die vorliegende Übersicht soll einen Einblick in das Thema der elektrischen Stimulation des olfaktorischen Systems und die Realisierbarkeit einer bioelektrischen Nase geben. Zudem werden aktuelle wissenschaftliche Erkenntnisse hinsichtlich einer möglichen Transplantation von Riechschleimhaut sowie einer Stammzelltherapie zur Wiederherstellung der Riechfunktion dargestellt.

Elektrische Stimulation am olfaktorischen System

Elektrische olfaktorische Aktivierung bei Tieren

Bereits 1959 veröffentlichte Ottoson eine Arbeit zur elektrischen Stimulation der nasalen Schleimhaut beim Frosch. Durch diese ließen sich Potenzialänderungen von N. olfactorius und BO auslösen. Es wurden verschiedene Areale der Mukosa stimuliert. Lediglich Aktivierungen im Bereich der Riechschleimhaut führten zu einer Potenzialveränderung im BO [51]. In dieser Studie konnte grundlegend dargestellt werden, dass die elektrische Stimulation des N. olfactorius sowie des BO realisierbar sind.

Coelho und Constanzo führten Untersuchungen mittels einer 32-Kanal-Elektrode zur räumlichen Kartierung des BO bei Ratten durch. Zur Reizung verwendeten sie natürliche Düfte und direkte elektrische Stimulation. Dabei registrierten sie die Reizantworten auf die jeweiligen Stimuli in verschiedenen Arealen des BO. Mithilfe verschiedener Programme ließen sich für die natürlichen Duftstoffe Muster generieren, welche die entsprechenden neuronalen Aktivitäten für die jeweiligen Duftqualitäten darstellen. So konnten die Autoren nachweisen, wie in vorhergehenden Studien auch, dass unterschiedliche Gerüche zu lokalisierten Aktivierungsmustern im BO führen. Auch für die direkte elektrische Stimulation ließ sich in Abhängigkeit von der Lokalisation der Reizung eine lokalisierte Reaktion ableiten [14].

Um die neuronale Aktivität der ORN nach Präsentation eines olfaktorischen oder evtl. auch elektrischen Reizes nachvollziehbar zu machen, implantierten Dong et al. eine selbst hergestellte 16-Kanal-Mikroelektrode im BO bei Ratten. Fünf verschiedene Düfte (Anisol, Citral, Carvon, Isobutanol, Isoamylacetat) führten zu unterschiedlichen neuronalen Aktivitäten der ORN, und es ließen sich in Abhängigkeit von der Reizung mit den unterschiedlichen Düften unterschiedliche Aktivierungsmuster darstellen. Durch einen Dekodierungsalgorithmus konnten die Duftstoffe identifiziert werden [22]. Anhand dieser Arbeit konnte letztlich die Machbarkeit der Unterscheidung von Geruchsqualitäten durch eine bioelektrische Nase demonstriert werden. Allerdings ergaben sich Schwierigkeiten bei der Unterscheidung von Duftgemischen sowie unterschiedlicher Duftkonzentrationen.

Elektrische Reizung der menschlichen Riechschleimhaut

Erste Untersuchungen zur Stimulation der Riechschleimhaut beim Menschen wurden bereits im 19. Jahrhundert veröffentlicht. Dabei wurden durch die elektrische Reizung über eine endonasal platzierte Elektrode Geruchsempfindungen erzeugt. Zum Beispiel beschrieben die Probanden den wahrgenommenen Geruch als ein „angezündetes Streichholz“ [3].

Uziel publizierte 1973 die Ergebnisse seiner Versuche, bei denen jeweils Teilnehmenden unter Sicht zwei verschiedene Elektroden, eine Silber- sowie eine beschichtete Silber-Silberchlorid-Natriumchlorid(Ag-AgCl-NaCl)-Elektrode, im Bereich der olfaktorischen Schleimhaut (Abb. 1a, b) platziert wurden. Bei der anodischen Stimulation beobachtete Uziel die Entstehung olfaktorischer Empfindungen definiert durch Schwelle, Latenzzeit, Dauer und Qualität. Die Duftqualität wurde von vier Probanden als „Mandel“ beschrieben, ein weiterer berichtete über eine „verbrannte“ Geruchsempfindung. Dem entgegen ließen sich anhand der kathodischen Stimulation und durch die Ag-AgCl-NaCl-Elektrode lediglich trigeminale Empfindungen, wie „Brennen“ und „Stechen“ hervorrufen. Jedoch wurden die Beobachtungen der anodischen Stimulation auf die Freisetzung von Chlor zurückgeführt, das die Empfindung ausgelöst haben könnte [69].

In einer Untersuchung von Straschill et al. führte die elektrische Stimulation der olfaktorischen Mukosa zu einer Unterdrückung der Wahrnehmung von Düften. Weiterhin wurde beobachtet, wenn ein Elektrostimulus in einem bestimmten Intervall nach einem Duftstimulus appliziert wurde, dass dieser zu einer ähnlichen Geruchswahrnehmung führte wie der zuvor dargebotene Duft. Elektrische Stimulationen ohne vorausgegangenen Duftreiz führten außerdem bei drei Patienten zu einer „kakosmischen“ Wahrnehmung – dies waren Patienten mit Temporallappenepilepsie und olfaktorischen Auren [66].

Ishimaru et al. registrierten erstmals 1997 EEG-abhängige evozierte Potenziale nach elektrischer Stimulation der menschlichen Riechschleimhaut. Bei fünf Probanden wurde die olfaktorische Schleimhaut unilateral über eine bipolare Ag-Elektrode elektrisch gereizt. Gleichzeitig wurden die Hirnströme mit jeweils zwei Elektroden (eine frontal und eine lateral) registriert. Zwar ließen sich nach der elektrischen Stimulation Potenziale registrieren, jedoch wurde keine Geruchsempfindung angegeben. Reizungen außerhalb der Riechspalte lösten eine Schmerzempfindung aus, am ehesten aufgrund einer Affektion des N. trigeminus [33].

Weiss et al. führten 2016 verschiedene Versuchsanordnungen bei 60 Freiwilligen durch, wobei elektrische Reize über eine intranasale Ag-Elektrode appliziert wurden. In der ersten Versuchsanordnung konnte die Hypothese, dass eine Stimulation im Bereich der Riechschleimhaut zu einer Geruchswahrnehmung führt, anhand von Stimulation verschiedener Areale der Nase (mittlere und obere Muschel, Septumhinterkante und Riechspalte) nicht bestätigt werden. Zu keinem Zeitpunkt berichteten die Probanden über einen Geruchseindruck, allerdings führte die gleichzeitige elektrische Stimulation im Bereich der Riechschleimhaut zu einer Modulation eines Riecheindrucks. Angenehme Gerüche (Rose und Schokolade) wurden durch die gleichzeitige elektrische Stimulation statistisch signifikant weniger angenehm empfunden. Zusätzlich unterzogen sich 20 Teilnehmende einer funktionellen MRT, um den Effekt der elektrischen Stimulation der Riechschleimhaut bildmorphologisch darzustellen. Dabei konnte eine neuronale Reaktion speziell im primären Riechkortex dargestellt werden, was zwar auf die korrekte Lage der Elektrode in der Riechspalte deutete, dennoch konnte keine olfaktorische Wahrnehmung durch die elektrische Stimulation der Riechschleimhaut erzeugt werden [75].

In der Summe zeigen diese Untersuchungen, dass die direkte elektrische Stimulation der Riechschleimhaut zu olfaktorischen Wahrnehmungen führen kann. Darüber hinaus führt die elektrische Stimulation im Bereich der Riechspalte zu einer Modulation von dargebotenen Düften. Die Wahrnehmung dieser kann unterdrückt, aber auch nachträglich wieder hervorgerufen werden.

Elektrische Reizung des BO beim Menschen

Die direkte elektrische, intraoperative Reizung des BO (Abb. 1a, b) am wachen Patienten führte bei Untersuchungen von Penfield und Jasper zu einer Wahrnehmung von eher unangenehmen Gerüchen wie verbranntem Gummi oder Gülle [52]. Eine Stimulation des BO kann aber auch erreicht werden, indem die Elektroden im Bereich der Lamina cribrosa platziert werden. Nach Positionierung einer Testelektrode im Bereich der Lamina lateralis der Lamina cribrosa führte dort die elektrische Stimulation bei drei Probanden zu einer subjektiven Geruchswahrnehmung. Diese wurden als zwiebelartig oder antiseptisch und sauer oder fruchtig und schlecht beschrieben. Damit stellt die transethmoidale Stimulation des BO einen neuartigen Ansatz bei der Entwicklung der bioelektrischen Nase dar [30].

Elektrische Reizung des Kortex und anderer Hirnareale des Menschen

Orbitofrontaler Kortex:

Kumar et al. veröffentlichten eine Studie, in der sie 16 Kindern mit einer fokalen Epilepsie subdurale Elektroden rechts oder/und links frontal, temporal, parietal und okzipital implantierten. Elektrische Stimulationen im ventralen Bereich des medialen Frontallappens führten bei elf Kindern zu einer Geruchswahrnehmung. Diese Geruchsempfindung wurde meist als unangenehm, Rauch oder Müll beschrieben. Zwei Kinder berichteten von angenehmen Gerüchen wie Erdbeeren oder gutem Essen. Elektrische Reizungen anderer Hirnareale führten nicht zu Riecheindrücken. Olfaktorische „Halluzinationen“ ließen sich lediglich durch Stimulationen in der Nähe des BO oder des Tractus olfactorius erzeugen [35].

Anders als zuvor beschrieben, gelang es Bérard et al., angenehme Riecheindrücke durch die Elektrostimulation des medialen orbitofrontalen Kortex zu erzeugen. Im Rahmen dieser Studie wurden elektrische Impulse über verschieden lokalisierte Tiefenelektroden bei acht Patienten mit einer Temporallappenepilepsie appliziert. Nach Stimulationen im Bereich des Sulcus olfactorius, des Sulcus orbitalis medialis oder des Gyrus orbitofrontalis medialis berichteten fünf der acht Probanden über angenehme Riecheindrücke. Beispielsweise wurden diese als Zitrone, Kaffee, Parfüm, Eukalyptus und Obst oder Gemüse beschrieben. Eine Änderung der Stimulationsamplitude führte zu einer Änderung der Geruchswahrnehmung bei drei der fünf Patienten [5].

Insulärer Kortex:

Anhand retrospektiver Untersuchungen von elektrischen Stimulationen der Insula (Abb. 1c) konnte diese hinsichtlich der ausgelösten Riech- und Schmeckempfindungen kartographiert werden. Es wurden 651 Untersuchungen ausgewertet, bei denen die Insula von 221 Patienten mit einer medikamentenrefraktären Epilepsie über eine stereotaktisch implantierte Tiefenelektrode stimuliert wurde. Sechsmal wurde eine Geruchsempfindung angegeben, welche durch elektrische Stimulationen im Bereich der mittleren dorsalen Insula ausgelöst wurde. Weiterhin zeigten die Ergebnisse, dass es eine räumliche Überlappung zwischen gustatorischer, olfaktorischer und oraler somatosensorischer Repräsentation in diesem Bereich gibt [40].

Amygdala und Hippocampus:

Andy veröffentlichte 1967 den Fallbericht eines Patienten, der nach elektrischer Stimulation der rechten Amygdala (Abb. 1d) von einer üblen Geruchswahrnehmung berichtete. Durch Stimulation des Hippocampus (Abb. 1d) wurde allerdings keine Geruchsempfindung erzeugt [1].

Thalamus:

Auch die Elektrostimulation des Thalamus (Abb. 1c) kann olfaktorische Halluzinationen hervorrufen. Im Rahmen der Untersuchungen von Nashold und Wilson ließen sich bei drei von fünf Probanden unangenehme Geruchswahrnehmungen erzeugen (verbrannt, verbranntes Gummi oder Chloroform). Ein Teilnehmender nahm angenehme Gerüche wie Heu und Nelke wahr. Weiterhin berichtete ein Proband über eine vage Geruchsempfindung, die ihn an „South Dakota“ erinnerte [48].

Die Untersuchungen legen also nahe, dass elektrische Stimulation u. a. in Abhängigkeit von Stimulationsparametern und dem Reizort zu verschiedenen Geruchsempfindungen führen kann. Zusammenfassend sind die verschiedenen Applikationsorte und erreichten Ergebnisse in Tab. 1 dargestellt.

Quelle (Jahr)	Studienpopulation	Methodik	Ergebnis
Elektrische olfaktorische Aktivierung bei Tieren
Ottoson (1959) [51]	Frösche	eStim Nasenschleimhaut	Stimulation im Bereich der Riechschleimhaut → Potenzialänderungen im BO
Coelho und Costanzo (2016) [14]	8 Ratten	Duftstimuli Aufzeichnung neuronaler Aktivität im BO (n = 8) eStim des BO (n = 4)	Lokalisierte Aktivierungsmuster im BO durch verschiedene Duftstimuli eStim an verschiedenen Lokalisationen des BO → lokalisierte Aktvierung des BO mittels evozierter Potenziale
Dong et al. (2013) [22]	44 Ratten	eStim durch 16-Kanal-Mikroelektrode am BO Präsentation fünf verschiedener Düfte	Ableitung geruchsabhängiger Aktvierungsmuster der ORN Duftidentifizierung durch Dekodierungsalgorithmus der Aktivierungsmuster (n = 4)
Elektrische Reizung der menschlichen Riechschleimhaut
Aronsohn (1886) [3]	4 Gesunde	Beidseits endonasal platzierte Elektrode	Geruchswahrnehmung „Streichholz“ (n = 2)
Uziel (1973) [69]	21 (Gesunde und HNO-Patienten)	eStim mit diversen Elektroden (Ag und Ag-AgCl-NaCl)	Anodische Stimulation → Geruchswahrnehmung „Mandel“ (n = 5), „verbrannt“ (n = 3), Vanille (n = 1) und „eitrig“ (n = 1) Ag-AgCl-NaCl: keine olfaktorische Sensation, jedoch Schmerzempfindung
Straschill et al. (1983) [66]	10 Gesunde, 5 Epileptiker	eStim und Präsentation von Duftstimuli	Unterdrückung der Geruchswahrnehmung Kakosmische Riecheindrücke ohne Duftstimulus (n = 3)
Ishimaru et al. (1997) [33]	5 Gesunde	eStim über Ag-Elektrode	Keine Erzeugung von olfaktorischen Empfindungen
Weiss et al. (2016) [75]	60 Gesunde	eStim verschiedener Nasenabschnitte fMRT (n = 20)	Modulation dargebotener Duftstimuli lediglich bei eStim des Riechepithels Keine Generation olfaktorischer Empfindungen durch eStim
Elektrische Reizung des BO beim Menschen
Penfield und Jasper (1954) [52]	5 Epileptiker	Intraoperative eStim des BO am wachen Patienten	Unangenehme Geruchsempfindung
Holbrook et al. (2019) [30]	5 Patienten mit CRS	Transethmoidale eStim des BO	Geruchswahrnehmungen (n = 3): zwiebelartig, antiseptisch, sauer, fruchtig, schlecht
Elektrische Reizung des Kortex und anderer Hirnareale des Menschen
Kumar et al. (2012) [35]	16 Kinder mit Epilepsie	eStim via subdurale Elektroden	Stimulation nahe BO oder Tractus olfactorius → Riecheindrücke (n = 13)
Bérard et al. (2020) [5]	8 Epileptiker	eStim via Tiefenelektroden	Stimulation am medialen orbitofrontalen Kortex → Geruchswahrnehmung (n = 5)
Mazzola et al. (2017) [40]	221 Epileptiker	eStim der Insula via Tiefenelektroden	Geruchsempfindungen durch Reize an mediodorsaler Insula
Andy (1967) [1]	1 Epileptiker	eStim Amygdala und Hippocampus (rechtsseitig)	Elektrostimulation der Amygdala → olfaktorische Empfindung (faulig), Elektrostimulation des Hippocampus ohne Geruchsempfindung
Nashold und Wilson (1969) [48]	5 mit neurologischer Erkrankung	eStim via Tiefenelektroden am wachen Patienten	Elektrostimulation des Thalamus → diverse Riecheindrücke (Gummi, rauchig/verbrannt, Chloroform, Nelke)

Ag Silber, Ag-AgCl-NaCl Silber-Silberchlorid-Natriumchlorid, BO Bulbus olfactorius, CRS chronische Rhinosinusitis, eStim elektrische Stimulation, fMRT funktionelle Magnetresonanztomographie, n Anzahl

Neurogenese der Riechschleimhaut

Andere therapeutische Bestrebungen setzen an der direkten Funktionswiederherstellung des geschädigten Riechepithels an. Eine wichtige Rolle kommt hierbei den ORN zu, welche sowohl für die Rezeption von Gerüchen als auch für die Signalweiterleitung verantwortlich sind. Folglich sind Kenntnisse über die Regeneration und die Neurogenese dieser Zellen für die Entwicklung und das Verständnis solcher Behandlungsansätze zentral.

Bereits im 19. Jahrhundert gab es Konzepte zur Charakterisierung von Zellen bei Wirbeltieren in Abhängigkeit von deren Regenerationsfähigkeit. In Bezug auf Nervenzellen wurde damals davon ausgegangen, dass sie ein stabiles Zellverhalten zeigen und entsprechend nicht ersetzt werden können, selbst dann nicht, wenn sie zerstört werden. Aufgrund von fehlenden Untersuchungen am Riechepithel hatte sich diese Vorstellung relativ lange gehalten. In den späten 1970er-Jahren hat sich das Verständnis aber grundlegend geändert. Mithilfe des radioaktiv markierten 3H‑Thymidins, einem Thymidinanalogon, konnte gezeigt werden, dass sich teilungsfähige Vorläuferzellen in ORN differenzieren und so eine lebenslange neurogenetische Matrix bei Wirbeltieren darstellen. Nach Nervendurchtrennung von ORN konnte zudem eine Nervenzellregeneration beobachtet werden. Im Rahmen der Regeneration kam es sogar zu einer Axonaussprossung in Richtung Vorderhirn auch dann, wenn den untersuchten Mäusen der BO entfernt worden war [25].

Anhand von Nasenschleimhautbiopsien, welche bei Autopsien sowie Nasenoperationen entnommen wurden, untersuchten Murrell et al. die Neurogenese der olfaktorischen Schleimhaut beim Menschen. Hierfür legten sie serumfreie Zellkulturen an und stimulierten diese mit Fibroblastenwachstumsfaktor 2 (FGF-2). Innerhalb der ersten 15–20 Tage nach Stimulation kam es zu einer deutlichen Zunahme an bipolaren Zellen, die immunhistochemisch positiv für das olfaktorische Markerprotein (OMP) waren, welches typischerweise bei reifen ORN zu finden ist. Mittels radioaktiv markierten Thymidins wurde schließlich in vitro die Differenzierung in ORN nachgewiesen. Das Alter des ältesten Probanden, bei dem eine Biopsie entnommen wurde, betrug 72 Jahre, sodass im Rahmen der Arbeit eine Neurogenese in der menschlichen Riechschleimhaut bis ins höhere Alter nachgewiesen werden konnte [47]. Eine kürzlich veröffentlichte Arbeit bestätigt, dass beim Menschen bis ins Erwachsenenalter eine Neurogenese in der Riechschleimhaut stattfindet. Die Autoren konnten belegen, dass bei den untersuchten Probanden (Alter 41–52 Jahre) verschiedene neurogene Zellstadien vorhanden sind. Im Unterschied zu Nagern war der Anteil der unreifen Rezeptorneuronen mit 55 % aber eher hoch, wohingegen bei Nagern dieser Teil nur 5–15 % ausmacht [23]. Dass die neuroregenerative Kapazität aber nicht lebenslang uneingeschränkt vorhanden, sondern eine gewisse Ermüdung anzunehmen ist, wurde an einem transgenen Mausmodell dargestellt. In den genetisch veränderten Tieren stellte sich ein vorzeitiger Zelluntergang von ORN ein, was wiederum zu einem erhöhten Zellumsatz führte. Bereits nach zwei Monaten glich die Riechschleimhaut derjenigen von älteren Menschen mit Bereichen ohne Neuronen oder globose Basalzellen, welche eine Grundvoraussetzung für die neuronale Regeneration darstellen. In diesen Arealen waren zudem Gewebeveränderungen im Sinne einer respiratorischen Metaplasie zu beobachten. Als Konsequenz dieser Veränderung, kommt es zu einer verminderten neuronalen Stimulation des BO, was auch in einer Volumenminderung (Verkleinerung) der Glomeruli zu erkennen war [13]. Dass eine olfaktorische Deprivatisierung mit einer Volumenminderung des BO einhergeht, konnte vor vielen Jahren auch schon von Meisami et al. gezeigt werden [41]. Die Neurogenese in der Riechschleimhaut ist nicht nur vom Alter, sondern auch von der olfaktorischen Exposition eines Individuums abhängig. In einer Untersuchung an Mäusen wurde festgestellt, dass olfaktorische Stimulierung eine Hochregulierung von gewissen Subtypen von ORN zur Folge hat, was einen adaptiven und plastischen Charakter der Riechschleimhaut nahelegt [70]. Zusätzlich scheint innerhalb der olfaktorischen Mukosa eine räumliche Determination hinsichtlich der Ausreifung der ORN zu bestehen. Coleman und seine Arbeitsgruppe entnahmen bei Mäusen Vorläuferzellen im dorsalen Bereich der Riechschleimhaut und setzten diese weiter ventral wieder in die olfaktorische Schleimhaut ein. Sie zeigten, dass nach erfolgtem Transfer ein Großteil der Neuronen typischerweise ventral aufzufindende Oberflächenglykoproteine exprimierten, dafür aber die Expression bestimmter Enzyme verloren [15]. Für die Regeneration und Plastizität der Riechschleimhaut sind also verschiedene Faktoren verantwortlich.

Die Riechschleimhaut hat ein enormes regeneratives Potenzial. Selbiges wird nicht nur vom Alter, sondern von verschiedenen anderen Faktoren beeinflusst. Diese Plastizität der Schleimhaut könnte auch in einem therapeutischen Kontext genutzt werden. Im Folgenden wird der therapeutische Einsatz von Stammzellen dargestellt und zudem auf die Möglichkeit einer Transplantation von Riechschleimhaut eingegangen.

Transplantation von Stammzellen

Das Knochenmark enthält eine heterogene Zellpopulation mit multipotenten Stammzellen, Vorläuferzellen und ausdifferenzierten Zellen. Die hohe Plastizität der Knochenmarkzellen erlaubt diesen, verschiedene Gewebe zu besiedeln und sich in diverse Zelllinien zu differenzieren. Diese Potenz macht Knochenmarkzellen zu einem guten Kandidaten für Zelltherapien [21].

Tsujigiwa hat bereits 2005 in einer Arbeit gezeigt, dass transplantierte Knochenmarkzellen in die Riechschleimhaut des Empfängers migrieren, dort anwachsen und sich auch in olfaktorische Neuronen differenzieren können. Hierfür hat er Knochenmarkzellen von transgenen Mäusen, welche grün fluoreszierendes Protein (GFP) exprimierten, in vorgängig bestrahlte Mäuse transplantiert. Bereits zwei Wochen nach Transplantation konnten GFP-positive Zellen in der olfaktorischen Mukosa nachgewiesen werden. Nach weiteren 3,5 Monaten waren die Zellen nicht nur in der basalen Schicht der Riechschleimhaut zu finden, sondern auch in der mittleren Schleimhautschicht, wo sich typischerweise reife olfaktorische ORN befinden. Durch immunhistochemische Analysen für OMP konnte außerdem der Nachweis erbracht werden, dass es sich um ausgereifte ORN handelte [67].

Da die Rate an neu entstandenen ORN bei Tsujigiwa et al. eher gering war, wollte eine weitere Arbeitsgruppe dies optimieren, indem sie ausschließlich Knochenmarkstammzellen transplantierten. Die Übertragung der mittels Bromdesoxyuridin (BrdU) markierten Stammzellen erfolgte bei einer Gruppe von Mäusen intravenös sowie bei einer anderen lokal mittels transnasaler Injektion. Immunhistochemisch konnten bei beiden Applikationsformen Zellen im Riechepithel gefunden werden, die positiv für GAP43 waren, was typischerweise von globosen Basalzellen exprimiert wird. Drei Wochen nach Transplantation waren die Zellen in der mittleren Schicht der Riechschleimhaut angelangt. Eine Ausdifferenzierung der Vorläuferzellen in reife ORN trat allerdings nicht ein. Das Ergebnis dieser Studie deutet außerdem an, dass die Effizienz der Zelltransplantationsanwachsrate bei lokaler und systemischer Gabe vergleichbar ist [49].

Der Effekt von Stammzellen wurde auch im Bereich des BO untersucht. Eine spanische Forschungsgruppe führte Therapieversuche mit Knochenmarkstammzellen bei transgenen Mäusen durch, die einen Verlust von Mitralzellen im Bulbus zeigen, also des zweiten Neurons der Riechbahn. Ein Verlust von Mitralzellen im Bulbus führt zu einer verminderten Geruchsdetektion und Geruchsdiskrimination der Mäuse. Die intravenöse Gabe von Knochenmarkzellen führte im BO zur Ausbildung von Mikrogliazellen, jedoch nicht von Mitralzellen oder anderen neuronalen Zellen. Auffallend war, dass bei den transplantierten Mäusen der normale progressive Verlust von Mitralzellen deutlich reduziert werden konnte. Folglich lässt sich annehmen, dass Mikrogliazellen eine protektive Wirkung in Bezug auf Mitralzellen zu haben scheinen. Aus früheren Arbeiten ist bereits bekannt, dass Mikrogliazellen neuroprotektive Substanzen freisetzen können. Mittels elektrophysiologischer Untersuchungen wurde außerdem deutlich, dass die transplantierten Mäuse im Vergleich zur Kontrollgruppe eine Verbesserung in der Geruchserkennung und der Geruchsdiskrimination zeigten [21].

Einen neuen Therapieansatz von Riechstörungen verfolgten Kurtenbach et al. durch die Transplantation von gewebespezifischen Stammzellen. Für ihre Untersuchung erstellten sie ein transgenes Mausmodel, bei welchem sie das interflagelläre Transportprotein aus der DNA der Mäuse entfernten, um bei den Tieren eine Hyposmie zu induzieren. Die Hyposmie wurde objektiviert, indem bei den behandelten Mäusen mittels Elektroolfaktogramm deutlich reduzierte elektrophysiologische Antworten auf Bananenduft (Amylacetat) zu messen waren. Als histologisches Korrelat fanden sie eine Ziliopathie der ORN. Hinsichtlich der transplantierten Stammzellen wurden ausschließlich Stammzellen der Riechschleimhaut verwendet, welche c‑KIT-Oberflächenrezeptor-positiv waren. C‑KIT-positive globose Basalzellen (GBC) haben die Fähigkeit zur Neurogenese. Um möglichst viele dieser Stammzellen für die Transplantation generieren zu können, wurden Spendermäuse zwei Tage vor Entnahme der Zellen mit Methimazol behandelt, was zu einem Zelltod von reifen ORN und gleichzeitig zu einer Hochregulierung von GBC führt. Die c‑KIT-positiven GBC wurden mittels nasaler Injektion in die hyposmischen Mäuse eingebracht. Vier Wochen nach erfolgter Transplantation wurde die olfaktorische Schleimhaut histologisch untersucht: Aus den transplantierten Stammzellen bildeten sich zilientragende ORN. Ebenso konnte ein Axonwachstum im N. olfactorius nachgewiesen werden. Die Axonaussprossung reichte sogar bis in die Glomeruli des Bulbus. Periglomerulär fanden sich zudem tyrosinhydroxylasepositive Zellen, was auf eine duftinduzierte Zellaktivität hinweist. Im Weiteren zeigten sich in elektroolfaktographischen Messungen und auch in Verhaltenstests bessere Resultate der zellbehandelten Mäuse im Vergleich zur Kontrollgruppe. Die transplantierten Zellen scheinen also nicht nur in die Riechschleimhaut einzuwachsen und sich zu differenzieren, sondern auch zu einer Verbesserung der Riechfunktion zu führen [36].

Das Potenzial von Stammzelltherapien beim Einsatz von Riechstörungen scheint vielversprechend zu sein. Eine der großen Herausforderungen ist sicherlich der Sicherheitsaspekt bei solchen Therapieansätzen, insbesondere hinsichtlich unkontrollierter Zellentwicklung und Zellmigration mit entsprechendem Entartungsrisiko.

Transplantation von Riechschleimhaut

Neben der Zelltherapie gibt es auch Bestrebungen zur Verpflanzung von Riechschleimhaut im Zellverband. Bereits 1983 wurde olfaktorische Schleimhaut von neonatalen Ratten in den parietalen Kortex und in den vierten Ventrikel von adulten und neugeborenen Tieren transplantiert. Die Neurogenese blieb trotz der ektopen Lage der Schleimhaut vorhanden. Es ließen sich sogar Axonbündel nachweisen, die das Empfängerhirn penetrierten. Zu einer Ausbildung von olfaktorischen Glomeruli kam es jedoch nicht [43]. Holbrook et al. erreichten ähnliche Resultate mit Transplantaten von postnatalen Mäusen. Das Transplantat überlebte in 85 % der Fälle [29].

Riechschleimhaut kann allerdings nicht nur in den Kortex, sondern auch in den BO transplantiert werden. Die Überlebensrate des Implantats war an beiden Lokalisationen gleich und betrug 83 %. Charakteristisch für die transplantierte olfaktorische Mukosa war das Auftreten von aus Epithelzellen bestehenden Vesikeln. In histologischen Untersuchungen wurde zudem ersichtlich, dass der mehrschichtige Aufbau der Riechschleimhaut erhalten blieb, ebenso konnten zilientragende Zellen an der Epitheloberfläche dargestellt werden, funktionelle Synapsen mit dem Bulbus jedoch nicht [79].

Insgesamt konnte also gezeigt werden, dass olfaktorische Schleimhaut in diverse Stellen des Kortex sowie in den vierten Ventrikel und den BO (zusammenfassend, gemeinsam mit den Ergebnissen der Stammzelltransplantationen, in Tab. 2 dargestellt) transplantiert werden kann. Wie es um ihre Funktionalität in Bezug auf das Riechvermögen steht, wurde bisher in keiner Studie näher untersucht.

Quelle (Jahr)	Studienpopulation	Methodik	Ergebnis
Transplantation von Stammzellen
Tsujigiwa et al. (2005) [67]	Mäuse	aTrans von GFP-positiven-Knochenmarkzellen durch venöse Injektion	Markierte Knochenmarkzellen migrieren in die Riechschleimhaut des Empfängers und differenzieren sich teilweise in ORN
Ochi et al. (2010) [49]	Mäuse	aTrans von BrdU-markierten Knochenmarkstammzellen durch venöse oder transnasale Injektion	Vergleichbare Effizienz der Zelltransplantationsanwachsrate im Riechepithel unabhängig der Applikationsform. Keine Ausreifung von Vorläuferzellen in ORN
Diaz et al. (2012) [21]	Mäuse	aTrans von Knochenmarkstammzellen durch venöse Injektion in transgene Mäuse mit erhöhtem Mitralzellverlust im BO	Ausbildung von zahlreichen Mikrogliazellen im BO mit neuroprotektivem Effekt → reduzierter Verlust von Mitralzellen → Verbesserung von Geruchserkennung sowie Geruchsdiskrimination
Kurtenbach et al. (2019) [36]	Mäuse	aTrans von Stammzellen der Riechschleimhaut in transgene hyposmische Empfänger mittels nasaler Injektion	Ausbildung von zilientragenden ORN inkl. Axonaussprossung bis in den BO → verbesserte Riechfunktion
Transplantation von Riechschleimhaut
Morrison et al. (1983) [43]	Ratten	aTrans von neonatalem OE in den parietalen Kortex und den vierten Ventrikel	Fortbestehen der Neurogenese im Transplantat an ektoper Lage. Ausbildung von Axonen, jedoch nicht von olfaktorischen Glomeruli
Holbrook et al. (2001) [29]	Mäuse	aTrans von postnatalem OE in den parietalen Kortex	Transplantatüberleben in 85 % mit Erhalt von regenerativer Epithelfunktion
Yagi et al. (2009) [79]	Mäuse	aTrans von postnatalem OE in den zerebellären Kortex (n = 12) sowie den BO (n = 6)	Transplantatüberlebensrate an beiden Orten bei 83 %. Transplantat weist Epithelcharakteristika von normalem OE auf

aTrans allogene Transplantation, GFP grün fluoreszierendes Protein, ORN olfaktorische Rezeptorneuronen, BO Bulbus olfactorius, OE olfaktorisches Epithel, n Anzahl

Fazit und Ausblick

Zusammenfassend zeigen sich einerseits klare Hinweise zur Machbarkeit der Entwicklung einer bioelektrischen Nase. Die direkte elektrische Stimulation des BO stellt möglicherweise eine Therapieoption zur Behandlung der Anosmie dar, wenn z. B. aufgrund irreversibler Schädigungen der ORN olfaktorische Informationen nicht an den BO weitergeleitet werden können, um schließlich in höher gelegenen Zentren verarbeitet zu werden. Unklar ist bislang jedoch, bis zu welchem Zeitpunkt, d. h. bis zu welcher Dauer der Riechstörung, eine elektrische Stimulation erfolgversprechend ist. Wahrscheinlich ist der Mensch in der Lage, Myriaden von Gerüchen zu unterscheiden [11]. Dies zeigt, dass die Ansprüche an ein etwaiges olfaktorisches Implantat groß sind. Es muss in der Lage sein, die verschiedenen olfaktorischen Informationen zu detektieren und duftspezifische, elektrische Signale an den BO weiterleiten. Hier ist allerdings bekannt, dass das Volumen des BO vom Alter und der olfaktorischen Funktion abhängig ist [10, 26, 46, 59]. Es ist unklar, inwiefern dieser Aspekt Einfluss auf die Entwicklung eines olfaktorischen Implantats hat. Für die erfolgreiche Hör- und Sehrehabilitation mithilfe eines Cochlea- oder eines Retinaimplantats ist ein intakter Hör- bzw. Sehnerv eine Grundvoraussetzung. Die meisten Untersuchungen beziehen sich zwar ebenfalls auf die indirekte oder direkte elektrische Stimulation des N. olfactorius bzw. des BO, jedoch konnten Geruchsempfindungen auch durch eine subdurale [35], kortikale [40] und thalamische [48] Reizung generiert werden. Die bis dato durchgeführten elektrischen Stimulationen beim Menschen bedingten zum Teil operative Eingriffe bis hin zur Kraniotomie, was entsprechend invasiv und mit Risiken verbunden ist. Hinsichtlich der Invasivität wäre der Einsatz von Stammzellen klar zu präferieren, welche relativ einfach mittels nasaler Injektion eingebracht werden können. Der Einsatz von Stammzellen bei Riechstörungen geht bis jetzt aber noch nicht über Tiermodelle hinaus, obschon die Studienergebnisse, insbesondere die von Kurtenbach et al., vielversprechende Ergebnisse zeigten in Bezug auf eine mögliche funktionelle Wiederherstellung des Riechepithels. Beim Einsatz von Stammzellen ist aber das kanzerogene Potenzial eines solchen Therapieansatzes bedenkenswert.