Nanosensoren: Die Zukunft der diagnostischen Medizin?

Ein wesentliches Ziel der diagnostischen Medizin ist es, medizinische Probleme so schnell wie möglich diagnostizieren zu können, so dass Ärzte Patienten behandeln können, bevor irreversible oder lang anhaltende Schäden auftreten können.
Nanosensoren werden aus Kohlenstoff-Nanoröhren hergestellt, die jeweils 100.000 Mal kleiner sind als eine Haarsträhne.

Die Beschleunigung des Diagnoseprozesses ist ein Schwerpunkt der Forschung. Aktuelle Studien, über die berichtet wurde Medizinische Nachrichten heute Eine Studie, die einen neuen Bluttest ergab, konnte das Risiko einer Frau für das Wiederauftreten von Brustkrebs fast 8 Monate vor dem Auftreten von sichtbaren Anzeichen vorhersagen.

Eine weitere Studie, die im August 2015 veröffentlicht wurde, identifizierte eine natürliche Verbindung, die im Atem als Biomarker der Leberzirrhose im Frühstadium gefunden wurde. Dieser Biomarker könnte eines Tages die Grundlage für einen Atemtest zur Diagnose dieser Krankheit bilden.

Ein Problem, das bei der Diagnose von medizinischen Zuständen auftritt, ist, dass die Symptome einiger Zustände erst nach einer gewissen Zeit auftreten. Zu dem Zeitpunkt, an dem diese Symptome an die Oberfläche kommen, wird die zugrunde liegende Erkrankung zu einem Stadium fortgeschritten sein, in dem ihre Behandlung viel komplizierter ist, als wenn das Problem früher entdeckt worden wäre.

Das offensichtlichste Beispiel für dieses Problem sind Krebserkrankungen wie Bauchspeicheldrüsenkrebs, die in ihrem Frühstadium oft keine Anzeichen oder Symptome verursachen und erst Symptome hervorrufen, wenn sich der Krebs auf andere Körperteile ausgebreitet hat.

Aber dieses Problem ist ein häufiges Problem. Ein anderes Beispiel wäre, wenn ein Implantat - zum Beispiel ein Hüftimplantat - infiziert wird oder eine Entzündung dazu führt, dass sich unerträgliches Narbengewebe bildet. Wenn sich jedoch herausstellt, dass ein Hüftimplantat infiziert wurde, ist die einzige Lösung, das Implantat zu entfernen und ein neues einzusetzen.

Diese Woche, MNT sprach mit Thomas Webster, Professor und Vorsitzender des Department of Chemical Engineering an der Northeastern University in Boston, MA, über die aktuelle Arbeit seines Teams im Umgang mit diesem Thema.

"Was wir heute in unserem medizinischen Versorgungssystem schnell erkannt haben, ist, dass vieles, was wir tun, sehr reaktionär ist", sagte er.

In diesem Spotlight werfen wir einen Blick darauf, wie Prof. Webster und seine Kollegen von einem reaktionären Modell des Gesundheitswesens mit der Entwicklung von Nanosensoren - eine neue Form der Technologie, die in der Lage ist, den Aufbau von Bakterien auf Implantaten zu überwachen und Ärzte zu warnen, wenn eine Behandlung erforderlich ist, bevor das Problem eskaliert.

Nanotechnologie: kleine Größe, großes Potenzial

Zu sagen, dass Nanotechnologie winzig ist, wäre eine Untertreibung - ein einziger Nanometer ist ein Milliardstel Meter. Ein Blatt Papier ist rund 100.000 Nanometer dick. Ein einwandiges Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit einem Durchmesser von 1 Nanometer ist 100.000 mal kleiner als eine Haarsträhne. Im Vergleich dazu ist eine Haarsträhne 100.000 Mal kleiner als ein Haus mit einer Breite von 10 Metern.

Es kann schwierig sein, sich vorzustellen, wie klein das ist, aber die Vorteile, die mit der Anwendung der Nanotechnologie in der Medizin verbunden sind, sind viel einfacher zu sehen. Den Forschern ist es bereits gelungen, die Nanotechnologie zur Verbesserung der biologischen Bildgebung zu nutzen, so dass Kliniker Ansammlungen winziger Partikel oder molekularer Signale im Zusammenhang mit Gesundheitsproblemen erkennen können.

Prof. Webster erzählt MNT über frühere Projekte, in denen er und seine Kollegen das Potenzial von Nanopartikeln zur Behandlung bakterieller und viraler Infektionen untersucht haben.

Einige chronische bakterielle Infektionen werden durch Bakterien verursacht, die in Biofilmen wachsen - was T. Bjarnsholt von der Kopenhagener Universität in Dänemark als "Schleim-eingeschlossene Aggregate" bezeichnet. Biofilme sind die Ursache von Erkrankungen wie Lungenentzündung bei Mukoviszidose und implantatassoziierten Infektionen.

"Medikamente und Antibiotika dringen nicht in diese Biofilme ein", erklärte Prof. Webster. "Das einzige, was man tun muss, ist, den Biofilm zu operieren und fast von Hand zu entfernen, indem man ihn aus dem Gewebe schöpft."

Nanopartikel könnten diesen Zustand jedoch verändern, wie Prof. Webster mitteilte MNT:

"So konnten wir diese Nanopartikel entwickeln, die tatsächlich in diese Biofilme eindringen können und dann den Biofilm abtöten und dabei gesundes Gewebe regenerieren, so dass Sie diese Art von Operation nicht benötigen würden."

An anderer Stelle haben Prof. Webster und seine Kollegen an der Entwicklung von Nanopartikeln gearbeitet, die bestimmte Viren zerstören sollen. Gold-Nanopartikel werden an Viren wie Ebola oder Influenza gebunden; Durch Erhitzen der Partikel mit bestimmten infraroten Wellenlängen können die Nanopartikel dann die Struktur des Virus zerstören.

Prof. Webster fasste zusammen, was er für den Nutzen der Nanotechnologie hält MNT:

"Wir glauben, dass Nanotechnologie, die in der Medizin verwendet wird, ein vielversprechendes Versprechen ist, weil die geringe Größe es ermöglicht, Zellen zu durchdringen, in Zellen einzudringen und ihre Funktion auf eine Art und Weise zu manipulieren, die mit herkömmlichem Material nicht möglich ist."

Es gibt große Schritte, die mit Hilfe der Nanotechnologie in der Medizin unternommen werden können. Momentan liegt der Fokus von Prof. Webster und seinem Team jedoch darauf, zu untersuchen, wie diese Technologie zur Verbesserung konventioneller Behandlungsformen eingesetzt werden kann Nanosensoren komm in das Spiel.

Ein Arzt im Körper

"Im Idealfall wollen wir Sensoren schaffen, die sich wie natürliche Zellen im Körper verhalten", erklärte Prof. Webster MNT. "Viele von uns würden sagen, dass der menschliche Körper der ultimative Sensor ist. Wir können Dinge viel besser spüren als alles, was wir bisher synthetisch gemacht haben."

Einen Sensor zu konstruieren, der Nanotechnologie verwendet, um menschliche Immunzellen nachzuahmen, die um den Körper herum zirkulieren, um anzuzeigen, wenn etwas nicht stimmt, und positiv auf Probleme zu reagieren, die an einem Tag in der Zukunft möglich sind, aber vorerst bleibt es ein großer Schritt.

Stattdessen haben sich Prof. Webster und sein Team entschieden, konventionelle medizinische Geräte, die in den Körper implantiert werden, zu transformieren, indem sie ihnen Sensoren - Nanosensoren - geben, die ein Problem bestimmen und darauf reagieren können, wenn und wenn es auftritt.

"Was wir als ersten Schritt getan haben, sind Titan-Hüftimplantate - wie ein Krankenhaus kaufen würde - und dann gewachsenes Material aus der Oberfläche dieses Hüftimplantats, das tatsächlich elektrisch erfassen kann, welche Art von Zelle an der Oberfläche haftet", er berichtete.

Die aus Kohlenstoff-Nanoröhren aufgebauten Sensoren sind in der Lage zu erfassen, ob sich an dem Implantat anhaftende Zellen Knochenzellen (wie erhofft), Bakterien oder Entzündungszellen befinden. Die beiden letztgenannten Zelltypen könnten auf eine Infektion oder Narbenbildung hinweisen, die dem Patienten Probleme bereiten könnten.

In den Sensor ist eine Funkfrequenz eingebaut, die Signale an einen externen Computer sendet, von dem aus ein Arzt auf alle vom Sensor übertragenen Informationen zugreifen kann. Anhand dieser Informationen kann beispielsweise ein Kliniker sehen, ob das Implantat frei von Bakterien ist, eine kleine Menge an Bakterien hat, die der Körper behandeln wird, oder eine große Anzahl von Bakterien, die eine antibiotische Behandlung benötigen, bevor eine vollwertige Infektion auftreten kann .

"Offensichtlich wäre das letzte Szenario ein viel besseres Szenario als heute", erklärte Prof. Webster. "Im Wesentlichen wissen wir heute nicht, wann es zu viele Infektionen oder zu viel Narbengewebe gibt, bis es zu spät ist und wir das Implantat wieder herausziehen müssen."

Neben Hüftimplantaten hat das Team seine Nanosensoren an Kathetern mit dem gleichen Ansatz getestet. Menschen, die Dauerkatheter erhalten, sind anfällig für Infektionen, was bedeutet, dass Nanosensoren, die Bakterienkonzentrationen überwachen, einen signifikanten Einfluss auf ihre Versorgung haben können.

Ein gemeinsames Anliegen von Menschen mit Nanotechnologie im menschlichen Körper ist, ob die verwendeten Materialien toxisch sind. Prof. Webster und sein Team haben viel Zeit darauf verwendet, sicherzustellen, dass die von ihnen verwendeten Materialien - Kohlenstoff-Nanoröhrchen und einige zusätzliche Polymere - nicht toxisch sind.

Darüber hinaus haben sie in einigen frühen Studien mit Tiermodellen beobachtet, dass die verwendeten Materialien bei Verwendung von Hüftimplantaten sogar das Knochenwachstum verbessern konnten. Selbst wenn der Sensor keine Probleme erkennt, kann er dennoch das Knochenwachstum stärker fördern als ein normales Titanimplantat.

"Es ist der erste Schritt zu einem besseren Implantat", sagte Prof. Webster, "aber letztlich ist es unser Ziel, diese Sensoren so zu gestalten, dass sie sich wie der menschliche Körper verhalten."

Probleme bei der Erzeugung von Energie und Daten

Obwohl diese Nanosensoren vielversprechend sind, bleiben noch einige Brücken, die überquert werden müssen, bevor die Technologie für menschliche Patienten angewendet werden kann. Das Team möchte, dass die Sensoren die gleiche Lebensdauer wie die Implantate haben, aus denen sie gezüchtet werden. Obwohl dies kein Problem für einen Katheter ist, der dazu neigt, für ein oder zwei Wochen eingelegt zu bleiben, können Hüftimplantate 15 Jahre lang an Ort und Stelle bleiben.

Gegenwärtig hat das Team Strom für die Sensoren erzeugt, indem es die Fähigkeit der Kohlenstoff-Nanoröhren zur Komprimierung ausnutzt. Wenn die Nanoröhren durch die Kraft des umgebenden Gewebes komprimiert werden, wird eine Spannung erzeugt. Während diese Methode jedoch kurzfristig Energie erzeugen kann, wenn mehr Gewebe auf den Sensoren wächst, werden sie möglicherweise nicht mehr in der Lage sein, zu komprimieren.

Dieses Rätsel ist eines von zwei wichtigen Problemen, die das Team überwinden muss, bevor die Sensoren bei Patienten mit Implantaten eingesetzt werden können. Die andere große Herausforderung für das Team besteht darin, genügend Testdaten für ihre Technologie zu generieren, damit sie von den zuständigen Behörden zur Verwendung freigegeben werden können.

Prof. Webster erklärte das Problem des Teams:

"Hier in den USA haben wir die FDA [US Food and Drug Administration], von der wir eine Genehmigung bekommen müssen, bevor wir sie klinisch verwenden können, und es ist eine enorme Arbeit für jemanden an einer Universität, diese Daten zu generieren."

Er sagte MNT dass das Team bisher viele Kliniker und Ärzte davon überzeugt hat, dass ihr Ansatz von großem Wert ist und dass der Zugriff auf Echtzeitinformationen über den Zustand eines Patienten von erheblichem Nutzen wäre.

Frühe Versuche waren auch erfolgreich. Das Team befindet sich derzeit in einer zweiten Runde von Versuchen mit Nagetieren, und sobald diese Tests frühere Daten validiert haben, werden sie versuchen, ihre Technologie an größeren Tieren zu testen.

Prof. Webster räumte ein, dass ein menschlicher klinischer Versuch wahrscheinlich in 5-10 Jahren stattfinden wird. Die Zusammenarbeit in der Industrie, fügte er hinzu, könnte diesen Prozess beschleunigen, und so wäre das Team daran interessiert, mit Unternehmen oder Unternehmern zusammenzuarbeiten, um ihren Forschungszeitraum zu beschleunigen.

"Dies sind frühe Tage für interne Nanosensoren", schreibt er in einem Artikel veröffentlicht in Verdrahtet"Aber das Konzept hat viel Potenzial." Wenn das Team die Geldgeber von diesem Potenzial überzeugen kann, könnten Nanosensoren früher oder später beim Menschen eingesetzt werden.

Probleme nicht nur identifizieren, sondern auch behandeln

Wie bereits erwähnt, erstreckt sich die Vision des Teams für Nanosensoren nicht nur auf die Überwachung, sondern auch auf Informationen für Kliniker. Im VerdrahtetProf. Webster beschreibt, wie die Sensoren auch zur Behandlung von Problemen eingesetzt werden können, bevor sie Schäden am Körper verursachen können:

"Wenn die Sensoren etwas Unerwartetes aufnehmen, können sie über ein Handgerät programmiert werden, um ein Medikament freizusetzen, um Bakterien abzutöten oder das Wachstum von Narbengewebe zu reduzieren, so dass Knochen neben dem Implantat gesund wachsen kann.Durch die Freisetzung von Medikamenten, oder in einigen Fällen durch die Abgabe einer kleinen Spannung an der Stelle, kann eine Toxizität für gesunde Zellen vermieden und eine wirksamere Behandlung erzielt werden. "

Noch weiter unten sieht Prof. Webster seine Nanotechnologie in der Lage, Krebszellen zu behandeln und Chemotherapeutika mit großer Genauigkeit entweder direkt neben oder in gefährlichen Zellen zu verabreichen.

Es ist noch ein langer Weg, ein Niveau der technologischen Entwicklung, das Prof. Webster als "ein bisschen wie Star Trek" beschrieben hat, aber es ist ein Weg, den das Team begonnen hat. Mit der Zeit könnte diese winzige Technologie zu einer gigantischen Revolution in der Gesundheitsversorgung führen.

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