Winziges drahtloses Implantat erkennt Sauerstoff tief im Körper

Ingenieure haben ein winziges drahtloses Implantat entwickelt, das Echtzeitmessungen des Sauerstoffgehalts im Gewebe tief unter der Haut ermöglicht. Das Gerät, das kleiner als der durchschnittliche Marienkäfer ist und mit Ultraschallwellen betrieben wird, ebnet den Weg für die Entwicklung einer Vielzahl von miniaturisierten Sensoren, die wichtige biochemische Marker im Körper wie pH oder Kohlendioxid verfolgen könnten. Diese Sensoren könnten Ärzten eines Tages minimalinvasive Methoden zur Überwachung der Biochemie in funktionierenden Organen und Geweben zur Verfügung stellen.

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 konstante Versorgung, um zu überleben. Die meisten Methoden zur Messung der Gewebesauerstoffversorgung können nur Informationen darüber liefern, was in der Nähe der Körperoberfläche passiert. Denn diese Verfahren beruhen auf elektromagnetischen Wellen wie Infrarotlicht, die nur wenige Zentimeter in Haut- oder Organgewebe eindringen können. Es gibt zwar Arten der Magnetresonanztomographie, die Informationen über die Sauerstoffversorgung des tiefen Gewebes liefern können, aber sie erfordern lange Scanzeiten und können daher keine Daten in Echtzeit liefern.

Ultraschallwellen, eine Form von Schall, deren Frequenz zu hoch ist, um vom menschlichen Ohr wahrgenommen zu werden, können sich harmlos über viel größere Entfernungen als elektromagnetische Wellen durch den Körper ausbreiten und bilden bereits die Grundlage der Ultraschall-Bildgebungstechnologie in der Medizin.

Der Einbau des Sauerstoffsensors umfasste die Integration einer LED-Lichtquelle und eines optischen Detektors in das winzige Gerät sowie die Entwicklung eines komplizierteren Satzes elektronischer Steuerungen zum Betrieb und Auslesen des Sensors. Diese Art von Sauerstoffsensor unterscheidet sich von den Pulsoximetern, die zur Messung der Sauerstoffsättigung im Blut verwendet werden. Während Pulsoximeter den Anteil des mit Sauerstoff angereicherten Hämoglobins im Blut messen, ist das neue Gerät in der Lage, die Sauerstoffmenge im Gewebe direkt zu messen.

Eine mögliche Anwendung des Geräts ist die Überwachung von Organtransplantationen, da in den Monaten nach der Organtransplantation vaskuläre Komplikationen auftreten können und diese Komplikationen zu einer Fehlfunktion des Transplantats führen können. Es könnte auch verwendet werden, um die Tumorhypoxie zu messen, was Ärzten helfen kann, die Strahlentherapie bei Krebs zu steuern.

Bei Frühgeborenen kann zusätzlicher Sauerstoff erforderlich sein, Ärzte haben jedoch keine zuverlässige Gewebeanzeige der Sauerstoffkonzentration. Weitere miniaturisierte Versionen dieses Geräts könnten dazu beitragen, die Sauerstoffexposition bei Frühgeborenen in der Intensivstation besser zu kontrollieren und einige der negativen Folgen einer übermäßigen Sauerstoffexposition wie Retinopathie bei Frühgeborenen oder chronische Lungenerkrankungen zu minimieren.

Die Technologie könnte weiter verbessert werden, indem der Sensor so untergebracht wird, dass er langfristig im Körper überleben kann. Eine weitere Miniaturisierung des Geräts würde auch den Implantationsprozess vereinfachen, der derzeit eine Operation erfordert. Darüber hinaus könnte die optische Plattform im Sensor leicht angepasst werden, um andere Biochemie im Körper zu messen. Durch einfaches Ändern der Plattform, die für den Sauerstoffsensor gebaut wurde, kann das Gerät so modifiziert werden, dass es beispielsweise den pH-Wert, reaktive Sauerstoffspezies, Glukose oder Kohlendioxid misst. Wenn die Verpackung kleiner gemacht werden könnte, könnte das Gerät mit einer Nadel oder durch einen laparoskopischen Eingriff in den Körper injiziert werden, was die Implantation noch einfacher macht.