Frühwarnsystem: Können Sensoren im Körper Krebs melden?
Forschende der FAU (Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg) entwickeln Strategien, um implantierbare medizinische Geräte miteinander sowie mit der Außenwelt zu vernetzen und zu kommunizieren.
Implantierte Sensoren: Alarm bei Tumorverdacht. (Symbolbild).
Foto: PantherMedia / Wavebreakmedia ltd
Könnten in Zukunft Sensoren im Körper dauerhaft nach einer abgeschlossenen Krebsbehandlung überwachen, ob neue Tumoren entstehen? Ein internationales Forschungsteam, an dem die FAU beteiligt ist, arbeitet daran, solche Visionen Wirklichkeit werden zu lassen. In den nächsten drei Jahren wollen die Partner erforschen, wie implantierbare medizinische Geräte Informationen sowohl untereinander als auch mit der Umgebung austauschen können. Im Rahmen des Horizon-Programms der EU stehen dafür 3,7 Millionen Euro zur Verfügung, wobei etwa 500.000 Euro in die Teilprojekte an der FAU fließen.
Bereits heute existiert eine Vielzahl von medizinischen Geräten, die durch kleine Eingriffe im Körper implantiert werden und dort entscheidende Funktionen übernehmen. Ein Beispiel sind Herzschrittmacher, die den Rhythmus des Herzmuskels regulieren. Zukünftig könnten Implantate jedoch auch für ganz andere Anwendungen genutzt werden.
Konzentration von Tumormarkern überwachen
„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 nach Monaten oder Jahren die Konzentration von Tumormarkern im Gewebe zunimmt, könnte das Implantat ein Signal geben. Aber auf welche Art und Weise würde dies geschehen?
„Eine Möglichkeit wäre, dass der Sensor das Ergebnis seiner Messungen per Funk übermittelt“, erklärt 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.“
Ein spezielles Signalmolekül in den Blutstrom abgeben
Der Ingenieur für Kommunikationstechnik plante, stattdessen einen Weg zu finden, über den auch lebende Zellen Informationen austauschen könnten. Dabei würden sie nicht elektromagnetische Wellen, sondern Moleküle nutzen. Er erklärte, dass Immunzellen im Körper, wenn sie einen Krankheitserreger entdecken, mit Botenstoffen andere Abwehrzellen zur Unterstützung rufen. Analog dazu könnte das Implantat ein spezielles Signalmolekül in den Blutstrom abgeben, sobald die Menge der Tumormarker ansteigt. Im Idealfall ließe sich dieses Molekül ohne Blutentnahme von außen nachweisen, beispielsweise durch optische Sensoren – möglicherweise sogar durch die Sensoren in der Smartwatch des Patienten.
Die Forschung zur molekularen Kommunikation befindet sich noch in einem frühen Stadium. Das EU-Projekt ERMES hat sich zum Ziel gesetzt, dies in den kommenden drei Jahren zu verändern. Die Beteiligten möchten unter anderem erforschen, wie Signalmoleküle sich im Organismus verbreiten.
„Wir wollen dazu zunächst mit Hilfe von Computermodellen ihren Weg von einem Sender zu einem Empfänger simulieren“, sagt Schäfer. „Außerdem werden wir Experimente in biologischen Systemen durchführen – unter anderem in der Membran von Hühnereiern und in toten Ratten.“
Viele Fragen sind offen
Die Forschenden möchten verschiedene offene Fragen klären: Wie viele Moleküle müssen ausgeschüttet werden, damit sie in ausreichender Konzentration beim Empfänger ankommen? Inwieweit hängt diese „Sendeleistung“ von der Entfernung ab? Zudem wollen sie herausfinden, wie die Übertragung beeinflusst wird, wenn Signalmoleküle an den Wänden der Blutgefäße haften bleiben. Darüber hinaus soll untersucht werden, welche Moleküle sich besonders gut für die Informationsübertragung eignen. Diese Moleküle sollten so beschaffen sein, dass sie keine unerwünschten Nebenwirkungen im Körper hervorrufen und zudem schnell abgebaut oder ausgeschieden werden.
Idealerweise sollten sich diese künstlichen Botenstoffe einfach und zuverlässig nachweisen lassen, was ein weiterer Aspekt ist, dem die Projektpartner nachgehen wollen. In diesem Zusammenhang spielen auch Sicherheitsaspekte eine Rolle. Schäfer betonte, dass sie verhindern möchten, dass Unbefugte die molekularen Nachrichten abfangen und dadurch Zugang zu sensiblen medizinischen Daten erhalten. Er hob hervor, dass es sehr wichtig sei, diesen Punkt von Anfang an zu berücksichtigen.
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