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Implantat detektiert Sauerstoff tief im Körper

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Ingenieure der University of California, Berkeley, haben ein winziges drahtloses Implantat entwickelt, das Echtzeitmessungen des Sauerstoffgehalts im Gewebe tief unter der Haut ermöglicht. Das Gerät, das kleiner als ein durchschnittlicher Marienkäfer ist und mit Ultraschallwellen betrieben wird, könnte Ärzten dabei helfen, den Gesundheitszustand transplantierter Organe oder Gewebe zu überwachen und eine frühzeitige Warnung vor einem möglichen Transplantatversagen zu geben.

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Die Technologie, die in Zusammenarbeit mit Ärzten der University of California, San Francisco, entwickelt wurde, ebnet auch den Weg für die Schaffung einer Vielzahl von miniaturisierten Sensoren, die andere wichtige biochemische Marker im Körper, wie pH oder Kohlendioxid, verfolgen könnten.

Diese Sensoren könnten Ärzten eines Tages minimal-invasive Methoden zur Überwachung der Biochemie in funktionierenden Organen und Geweben bieten. "Es ist sehr schwierig, Dinge tief im Körper zu messen", sagt Michel Maharbiz, Professor für Elektrotechnik und Computerwissenschaften an der UC Berkeley und Chan Zuckerberg Biohub Investigator. "Das Gerät demonstriert, wie man mit Hilfe von Ultraschalltechnologie in Verbindung mit einem sehr cleveren Design integrierter Schaltkreise hochentwickelte Implantate herstellen kann, die sehr tief ins Gewebe eindringen, um Daten von Organen zu erfassen."

Maharbiz ist der Hauptautor eines neuen Artikels, der das Gerät beschreibt und in der Zeitschrift Nature Biotechnology erscheint.

Sauerstoff ist eine Schlüsselkomponente für die Fähigkeit der Zellen, Energie aus der Nahrung zu gewinnen, die wir essen, und fast alle Gewebe im Körper benötigen eine ständige Versorgung, um zu überleben. Die meisten Methoden zur Messung der Gewebeoxygenierung können nur Informationen darüber liefern, was in der Nähe der Körperoberfläche passiert. Das liegt daran, dass diese Methoden auf elektromagnetischen Wellen, wie z. B. Infrarotlicht, beruhen, die nur wenige Zentimeter in Haut- oder Organgewebe eindringen können. Es gibt zwar Arten der Magnetresonanztomographie, die Informationen über die Sauerstoffversorgung des Gewebes in der Tiefe liefern können, aber sie benötigen lange Abtastzeiten und können daher keine Daten in Echtzeit liefern.

Seit 2013 entwickelt Maharbiz miniaturisierte Implantate, die mit Ultraschallwellen drahtlos mit der Außenwelt kommunizieren. Ultraschallwellen, eine Form des Schalls, die zu hochfrequent ist, um vom menschlichen Ohr wahrgenommen zu werden, können sich über viel größere Entfernungen als elektromagnetische Wellen harmlos durch den Körper bewegen und sind bereits die Grundlage der bildgebenden Ultraschalltechnologie in der Medizin. Ein Beispiel für ein solches Gerät ist Stimdust, das in Zusammenarbeit mit dem Assistenzprofessor für Elektrotechnik und Computerwissenschaften der UC Berkeley, Rikky Muller, entwickelt wurde und elektrische Nervenimpulse im Körper erkennen und stimulieren kann.

Soner Sonmezoglu, ein Postdoktorand im Bereich Ingenieurwissenschaften an der UC Berkeley, leitete die Bemühungen, die Fähigkeiten des Implantats um die Sauerstoffmessung zu erweitern. Die Integration des Sauerstoffsensors erforderte sowohl die Integration einer LED-Lichtquelle und eines optischen Detektors in das winzige Gerät als auch die Entwicklung einer komplizierteren elektronischen Steuerung für den Betrieb und das Auslesen des Sensors. Das Team testete das Gerät, indem es den Sauerstoffgehalt in den Muskeln von lebenden Schafen überwachte.

Sonmezoglu weist darauf hin, dass sich diese Art von Sauerstoffsensor von den Pulsoximetern unterscheidet, die zur Messung der Sauerstoffsättigung im Blut verwendet werden. Während Pulsoximeter den Anteil des Hämoglobins im Blut messen, der mit Sauerstoff angereichert ist, ist das neue Gerät in der Lage, direkt die Sauerstoffmenge im Gewebe zu messen.

"Eine mögliche Anwendung dieses Geräts ist die Überwachung von Organtransplantationen, da in den Monaten nach der Organtransplantation vaskuläre Komplikationen auftreten können, die zu einer Dysfunktion des Transplantats führen können", so Sonmezoglu. "Es könnte auch verwendet werden, um Tumor-Hypoxie zu messen, was Ärzten helfen kann, die Strahlentherapie bei Krebs zu steuern."