Werden in Zukunft nach einer abgeschlossenen Krebsbehandlung Sensoren im Körper permanent überwachen, ob neue Tumoren entstehen? Visionen wie diese Realität werden zu lassen, ist das Ziel eines internationalen Forschungskonsortiums. 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 Mio. Euro zur Verfügung. Für Teilprojekte. die an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) bearbeitet werden, sind rund 500 000 Euro vorgesehen.
Eine Basis für den geplanten Ansatz gibt es. Schon heute werden viele medizinische Geräte bei einer kleinen Operation in den Körper implantiert und übernehmen dort wichtige Funktionen. Ein Beispiel sind Herzschrittmacher, die den Schlagrhythmus des Hohlmuskels stabilisieren. In Zukunft könnten Implantate andere Aufgaben übernehmen. „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. 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 verwenden dazu nicht etwa elektromagnetische Wellen, sondern Moleküle.
Wenn Immunzellen im Körper einen Krankheitserreger entdecken, rufen sie mit Botenstoffen 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 der Patientin oder des Patienten.“
Simulation zeigt Ausbreitung der Signalmoleküle
Die Forschung zu solcher molekularen Kommunikation steckt allerdings noch in den Kinderschuhen. Das EU-Projekt Ermes soll das in den kommenden drei Jahren ändern. Die Beteiligten wollen unter anderem untersuchen, wie sich Signalmoleküle im Organismus ausbreiten, zunächst mit Computermodellen, aber auch durch Versuche in biologischen Systemen wie der Membran von Hühnereiern und toten Ratten.
Die Forschenden wollen so feststellen, wie viele ausgeschüttete Moleküle ein Signal ergeben, wie die „Sendeleistung“ von der Entfernung abhängt und was passiert, wenn Signalmoleküle an den Wänden der Blutgefäße haften bleiben. Auch dürfen diese keine unerwünschten Nebenwirkungen auslösen und müssen schnell abgebaut oder ausgeschieden werden.
Idealerweise sollten sich diese künstlichen Botenstoffe zudem möglichst einfach und zuverlässig nachweisen lassen. „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.“ Die Federführung des Projekts, an dem auch verschiedene Unternehmen beteiligt sind, liegt bei der Università di Catania in Italien. (op)
