Tattoo aus Gold-Nanopartikeln revolutioniert die medizinische Diagnostik

Die Idee implantierbarer Sensoren, die kontinuierlich Informationen über Vitalwerte und Konzentrationen von Stoffen oder Medikamenten im Körper übermitteln, fasziniert Mediziner und Wissenschaftler seit langem. Solche Sensoren ermöglichen die ständige Überwachung des Krankheitsverlaufs und des Therapieerfolgs. Bisher waren implantierbare Sensoren jedoch nicht dazu geeignet, dauerhaft im Körper zu verbleiben, sondern mussten nach einigen Tagen oder Wochen ausgetauscht werden. Einerseits gibt es das Problem der Implantatabstoßung, weil der Körper den Sensor als Fremdkörper erkennt. Andererseits war die Farbe des Sensors, die Konzentrationsänderungen anzeigt, bisher instabil und verblasste mit der Zeit. Wissenschaftler der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) haben einen neuartigen implantierbaren Sensor entwickelt, der mehrere Monate im Körper betrieben werden kann. Der Sensor basiert auf farbstabilen Gold-Nanopartikeln, die mit Rezeptoren für bestimmte Moleküle modifiziert sind. Eingebettet in ein künstliches Polymergewebe wird das Nanogold unter die Haut implantiert, wo es Änderungen der Wirkstoffkonzentration durch Veränderung seiner Farbe anzeigt.

Die Forschungsgruppe von Professor Carsten Sӧnnichsen verwendet seit vielen Jahren Goldnanopartikel als Sensoren, um winzige Mengen von Proteinen in mikroskopisch kleinen Durchflusszellen nachzuweisen. Gold-Nanopartikel wirken als kleine Antennen für Licht. Sie absorbieren und streuen es stark und erscheinen daher bunt. Sie reagieren auf Veränderungen in ihrer Umgebung, indem sie ihre Farbe ändern. Sӧnnichsens Team hat dieses Konzept für implantierte medizinische Sensoren genutzt.

Damit die winzigen Partikel nicht wegschwimmen oder von Immunzellen abgebaut werden, sind sie in ein poröses Hydrogel mit gewebeähnlicher Konsistenz eingebettet. Einmal unter die Haut implantiert, wachsen kleine Blutgefäße und Zellen in die Poren hinein. Der Sensor ist im Gewebe integriert und wird nicht als Fremdkörper abgestoßen. „Unser Sensor ist wie ein unsichtbares Tattoo, nicht viel größer als ein Cent und dünner als ein Millimeter“, sagt Sӧnnichsen. Da die Gold-Nanopartikel infrarot sind, sind sie für das Auge nicht sichtbar. Ein spezielles Messgerät kann jedoch ihre Farbe nichtinvasiv durch die Haut erkennen.

In ihrer Studie implantierten die Forscher ihre Gold-Nanopartikel-Sensoren unter die Haut von haarlosen Ratten. Farbänderungen in diesen Sensoren wurden nach der Verabreichung verschiedener Dosen eines Antibiotikums überwacht. Die Wirkstoffmoleküle werden über die Blutbahn zum Sensor transportiert. Durch die Bindung an spezifische Rezeptoren auf der Oberfläche der Gold-Nanopartikel induzieren sie eine von der Wirkstoffkonzentration abhängige Farbänderung. Dank der farbstabilen Gold-Nanopartikel und des gewebeintegrierenden Hydrogels blieb der Sensor über mehrere Monate mechanisch und optisch stabil.

Farbige Gegenstände bleichen mit der Zeit aus. Gold-Nanopartikel hingegen bleichen nicht aus, sondern behalten dauerhaft ihre Farbe. Da sie einfach mit verschiedenen Rezeptoren beschichtet werden können, sind sie eine ideale Plattform für implantierbare Sensoren.

Dieses Konzept ist verallgemeinerbar und hat das Potenzial, die Lebensdauer implantierbarer Sensoren zu verlängern. In Zukunft könnten implantierbare Sensoren auf Basis von Gold-Nanopartikeln verwendet werden, um gleichzeitig die Konzentrationen verschiedener Biomarker oder Medikamente im Körper zu beobachten. Solche Sensoren könnten in der Arzneimittelentwicklung, der medizinischen Forschung oder der personalisierten Medizin Anwendung finden, beispielsweise bei der Behandlung chronischer Krankheiten.