"Tiny Lab", das unter Haut implantiert wird, überträgt Blutmarker-Niveaus

Wissenschaftler in der Schweiz haben auf einem Chip ein "winziges Labor" entwickelt, das bei Implantation direkt unter die Haut bis zu fünf Substanzen im Blut verfolgen und die Ergebnisse drahtlos an ein Smartphone oder ein anderes Empfangsgerät in einem "Telemedizin" -Netzwerk übermitteln kann. Sie weisen darauf hin, dass das Gerät in vier Jahren marktreif sein könnte und viele potenzielle Anwendungen bietet, beispielsweise die Unterstützung von Ärzten bei der Überwachung von Patienten, die sich einer Chemotherapie unterziehen.
Andere Teams haben ähnliche implantierbare Geräte entwickelt, aber das Team der Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL) sagt, dass sie als Erste mehrere Blutmarker gleichzeitig überwachen.
Die Teamleiter Giovanni de Micheli und Sandro Carrara sagen, dass sie immer noch mit dem Prototyp experimentieren, aber es kann zuverlässig mehrere häufig verfolgte Substanzen erkennen.

Implantat und Haut Patch

Das Gerät besteht aus zwei Teilen: dem "winzigen Labor", das unter die Haut implantiert wird, und einem "intelligenten Pflaster", das in der Nähe des Implantats auf der Außenseite der Haut sitzt.
Das Implantat misst 14 mm mal 2 mm und enthält fünf Sensoren in Nanogröße, die die Detektion durchführen. Es wird mit einer Nadel in das interstitielle Gewebe direkt unter der Haut des Abdomens oder in Arme oder Beine eingeführt.
Der intelligente Patch ist etwa so groß wie eine Kreditkarte und macht zwei Dinge: Er liefert dem Implantat durch Induktion durch die Haut eine Leistung von 1/10 Watt (so dass bei Batterien keine Operation erforderlich ist) und empfängt Daten über Radiowellen vom Implantat, die es verarbeitet und dann per Bluetooth überträgt.
Das Team hat das Gerät bereits auf fünf verschiedene Substanzen getestet und gezeigt, dass es so zuverlässig ist wie herkömmliche Bluttests.

Design-Herausforderung mit vielen Disziplinen

Das Projekt zur Entwicklung des Gerätes ist Teil der Swiss Nano-Tera Initiative, die Forscher aus verschiedenen Bereichen der Umwelt und der Medizin zusammenbringt. Das Team, das diesen Prototyp entwickelt hat, umfasst Experten aus den Bereichen Elektronik, Computer, Biologie und Medizin.

Ein Schlüsselmerkmal der Technologie des Geräts sind die Nanosensoren. Große Sorgfalt wurde in ihrer Entwicklung genommen, sagen die Wissenschaftler.
Die Oberfläche jedes Sensors ist mit einem Enzym beschichtet, das die Zielverbindung, z. B. Lactat, Glucose oder ATP, einfängt.
De Micheli sagt:
"Potenziell könnten wir fast alles entdecken, aber die Enzyme haben eine begrenzte Lebensdauer und wir müssen sie so lange wie möglich entwerfen."
Derzeit halten die Enzyme etwa 6 Wochen, was für viele Anwendungen lang genug ist, sagt De Micheli. Da das Implantat so klein ist, ist es außerdem nicht schwierig, es zu entfernen und durch ein neues zu ersetzen.
Eine weitere Herausforderung für das Design war die Elektronik, insbesondere die winzige elektrische Spule, die vom Patch induktive Energie erhält.
"Es war nicht einfach, ein solches System mit nur einem Zehntel Watt zu betreiben", sagt De Micheli.

Er und seine Kollegen hoffen, dass das Gerät innerhalb von vier Jahren kommerziell verfügbar sein wird.

Mögliche Anwendungen umfassen personalisierte Chemotherapie

Die Wissenschaftler glauben, dass das Gerät den Ärzten helfen wird, ihren Patienten eine individuellere Versorgung zu bieten, als dies bei herkömmlichen Bluttests möglich ist.
Sie werden in der Lage sein, die Patienten kontinuierlich zu überwachen, was zum Beispiel bei der Behandlung chronisch Kranker oder Chemotherapeuten von großem Vorteil ist.
Gegenwärtig überwachen Onkologen den Fortschritt und die Toleranz der Krebspatienten gegenüber der Dosierung während der Chemotherapie mit regelmäßigen Bluttests.
De Micheli erwartet, dass das Gerät ihnen hilft, die optimale Dosis viel leichter zu verabreichen.
"Es ermöglicht eine direkte und kontinuierliche Überwachung basierend auf der individuellen Toleranz eines Patienten und nicht auf Alters- und Gewichtsdiagrammen oder wöchentlichen Bluttests", erklärt er.
Eine weitere mögliche Verwendung für das Implantat besteht darin, dass die Überwachung von Substanzen im Körper die Notwendigkeit von Eingriffen oder Medikamenten vorwegnimmt und Warnsignale aussendet, wenn die Konzentrationen einen kritischen Punkt erreichen.
In einem Videointerview gibt Carrara das Beispiel, wie einige Stunden vor einem kardialen Ereignis wie einem Herzinfarkt Metaboliten in den Blutkreislauf freigesetzt werden. Das Gerät könnte so eingestellt werden, dass es diese Metaboliten erkennt und Alarm schlägt.
Eine weitere mögliche Anwendung hilft Diabetikern, ihren Blutzucker unter Kontrolle zu halten.
Die Forschungsergebnisse werden am 20. März auf der Konferenz Design, Automation und Test in Europa (DATUM 13) vorgestellt.
Ein weiteres Beispiel für eine personalisierte Chemotherapie wurde kürzlich von britischen Wissenschaftlern enthüllt, die einen Bluttest vorschlagen, bei dem DNA-Fragmente, die durch sterbende Tumorzellen verloren gegangen sind, eines Tages dazu verwendet werden könnten, zu überwachen, wie gut Patienten auf eine Krebsbehandlung reagieren.

Geschrieben von Catharine Paddock