Gold-Nanopartikel-Tattoo-Sensor revolutioniert kontinuierliches Gesundheitsmonitoring

Die Idee implantierbarer Sensoren, die kontinuierlich Informationen über Vitalwerte und Konzentrationen von Substanzen oder Medikamenten im Körper übertragen, fasziniert Ärzte und Wissenschaftler seit langem. Solche Sensoren ermöglichen die ständige Überwachung von Krankheitsverlauf und Therapieerfolg. Bisher waren implantierbare Sensoren jedoch nicht für einen dauerhaften Verbleib im Körper geeignet, sondern mussten nach wenigen Tagen oder Wochen ersetzt 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 Typ implantierbarer Sensoren entwickelt, der im Körper mehrere Monate betrieben werden kann. Der Sensor basiert auf farbstabilen Goldnanopartikeln, die mit Rezeptoren für spezifische Moleküle modifiziert sind. In ein künstliches polymeres Gewebe eingebettet, wird das Nangold unter der Haut implantiert, wo es Änderungen in Medikamentenkonzentrationen durch Farbänderung meldet.

Professor Carsten Sönnichsens Forschungsgruppe nutzt Goldnanopartikel seit vielen Jahren als Sensoren, um winzige Mengen an Proteinen in mikroskopischen Flusszellen zu detektieren. Goldnanopartikel wirken als kleine Antennen für Licht. Sie absorbieren und streuen es stark und erscheinen daher farbig. Sie reagieren auf Veränderungen in ihrer Umgebung durch Farbänderung. Sönnichsens Team hat dieses Konzept für implantiertes medizinisches Sensing ausgenutzt.

Um zu verhindern, dass die winzigen Partikel wegschwimmen oder von Immunzellen abgebaut werden, werden sie in ein poröses Hydrogel mit gewebeähnlicher Konsistenz eingebettet. Einmal unter der Haut implantiert, wachsen kleine Blutgefäße und Zellen in die Poren. 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“, sagte Sönnichsen. Da die Goldnanopartikel infrarot sind, sind sie für das Auge nicht sichtbar. Ein spezielles Messgerät kann ihre Farbe jedoch nicht-invasiv durch die Haut detektieren.

In ihrer Studie implantierten die Forscher ihre Goldnanopartikelsensoren unter die Haut haarloser Ratten. Farbänderungen in diesen Sensoren wurden nach Verabreichung verschiedener Dosen eines Antibiotikums überwacht. Die Wirkstoffmoleküle werden über den Blutstrom zum Sensor transportiert. Durch Bindung an spezifische Rezeptoren auf der Oberfläche der Goldnanopartikel induzieren sie eine Farbänderung, die von der Arzneimittelkonzentration abhängt. Dank der farbstabilen Goldnanopartikel und des gewebintegrierenden Hydrogels blieb der Sensor über mehrere Monate mechanisch und optisch stabil.

Farbige Objekte bleichen mit der Zeit aus. Goldnanopartikel bleichen jedoch nicht aus, sondern behalten ihre Farbe dauerhaft. Da sie leicht 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 goldnanopartikelbasierte implantierbare Sensoren verwendet werden, um Konzentrationen verschiedener Biomarker oder Medikamente im Körper gleichzeitig zu beobachten. Solche Sensoren könnten Anwendung in der Arzneimittelentwicklung, medizinischen Forschung oder personalisierten Medizin finden, wie dem Management chronischer Erkrankungen.