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News • Forschung zu Informationsaustausch bei Implantaten
Auf dem Weg zu Frühwarn-Sensoren bei Krebs
Forschende der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) arbeiten an Strategien, über die implantierte medizinische Geräte miteinander oder mit der Außenwelt kommunizieren können.
Werden in Zukunft nach einer abgeschlossenen Krebsbehandlung Sensoren im Körper permanent überwachen, ob neue Tumoren entstehen? Ein internationales Forschungskonsortium unter Beteiligung der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) arbeitet daran, Visionen wie diese Realität werden zu lassen. Die Partner wollen in den kommenden drei Jahren Wege erforschen, auf denen implantierte medizinische Geräte Informationen austauschen können – sowohl untereinander als auch mit der Umgebung. Dafür stellt die EU im Rahmen ihres Horizon-Programms 3,7 Millionen Euro zur Verfügung. Rund 500.000 Euro fließen in die Teilprojekte an der FAU.
Das Implantat [könnte] ein spezielles Signalmolekül in den Blutstrom abgeben, sobald die Menge an Tumormarkern ansteigt. Im Idealfall ließe sich dieses Molekül ohne Blutentnahme von außen nachweisen, beispielsweise über optische Sensoren
Maximilian Schäfer
Es gibt schon heute viele medizinische Geräte, die bei einer kleinen Operation in den Körper implantiert werden und dort dann wichtige Funktionen übernehmen. Ein Beispiel sind etwa Herzschrittmacher, die den Schlagrhythmus des Hohlmuskels stabilisieren. In Zukunft könnten Implantate aber auch noch bei ganz anderen Aufgaben zum Einsatz kommen. „Denkbar ist beispielsweise, dass sie nach der Entfernung eines Tumors in das Gewebe eingesetzt werden und dort rund um die Uhr überwachen, ob eine neue Geschwulst entsteht“, erklärt Dr. Maximilian Schäfer vom Lehrstuhl für Digitale Übertragung der FAU, der von Prof. Dr. Robert Schober geleitet wird.
Wenn dann nach Monaten oder Jahren die Konzentration von Tumormarkern im Gewebe ansteigt, könnte das Implantat Alarm schlagen. Doch auf welche Weise? „Eine Möglichkeit wäre, dass der Sensor das Ergebnis seiner Messungen per Funk übermittelt“, sagt Schäfer. „Das funktioniert aber oft nicht zuverlässig, da Gewebswasser und Blut das Signal dämpfen. Zudem ist es schwierig, in kleinen Implantaten die nötigen Antennen und Batterien zu verbauen.“
Der Ingenieur für Kommunikationstechnik möchte daher stattdessen einen Weg nutzen, über den auch lebende Zellen Informationen austauschen: Sie nutzen dazu nicht etwa elektromagnetische Wellen, sondern Moleküle. Wenn etwa Immunzellen im Körper einen Krankheitserreger entdecken, rufen sie mit Botenstoffen andere Abwehrzellen zur Hilfe. „Analog dazu könnte das Implantat ein spezielles Signalmolekül in den Blutstrom abgeben, sobald die Menge an Tumormarkern ansteigt“, erläutert Schäfer. „Im Idealfall ließe sich dieses Molekül ohne Blutentnahme von außen nachweisen, beispielsweise über optische Sensoren – vielleicht sogar denen in der Smartwatch des Patienten.“
Die Forschung zur molekularen Kommunikation steckt noch in den Kinderschuhen. Das EU-Projekt ERMES soll das in den kommenden drei Jahren ein Stück weit ändern. Die Beteiligten wollen darin unter anderem untersuchen, wie sich Signalmoleküle im Organismus ausbreiten. „Wir wollen dazu zunächst mit Hilfe von Computermodellen ihren Weg von einem Sender zu einem Empfänger simulieren“, erklärt Schäfer. „Außerdem werden wir Experimente in biologischen Systemen durchführen – unter anderem in der Membran von Hühnereiern und in toten Ratten.“
Die Forschenden wollen so verschiedene offene Fragen klären: Wie groß muss die Zahl der ausgeschütteten Moleküle sein, damit sie in ausreichender Konzentration beim Empfänger ankommen? Wie hängt diese „Sendeleistung“ von der Entfernung ab? Wie wird die Übertragung dadurch beeinflusst, dass Signalmoleküle an den Wänden der Blutgefäße haften bleiben? Die Beteiligten wollen zudem untersuchen, welche Moleküle sich für die Weitergabe von Informationen besonders gut eignen. Diese müssen so beschaffen sein, dass sie keine unerwünschten Nebenwirkungen im Körper auslösen. Außerdem sollten sie binnen kurzer Zeit abgebaut oder ausgeschieden werden.
Idealerweise sollten sich diese künstlichen Botenstoffe zudem möglichst einfach und zuverlässig nachweisen lassen. Das ist ein Punkt, dem die Projektpartner ebenfalls nachgehen werden. In diesem Zusammenhang spielen auch Sicherheits-Aspekte eine Rolle. „Wir wollen schließlich verhindern, dass Unbefugte die molekularen Nachrichten abfangen und damit an sensible medizinische Daten gelangen“, betont Schäfer. „Es ist sehr wichtig, diesen Punkt direkt mit zu bedenken.“
In ERMES kooperiert das Team um Prof. Dr. Robert Schober an der FAU unter anderem mit der Universität Regensburg, der TH Deggendorf sowie mit Partnern aus Finnland und Frankreich. Die Federführung des Projekts, an dem auch verschiedenen Firmen beteiligt sind, liegt bei der Università di Catania in Italien.
Quelle: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg
21.09.2024
