Echtzeit-Drahtlos-Implantat für Miniatur-Tiefengewebe-Sauerstoffmonitoring

Ingenieure haben ein winziges drahtloses Implantat entwickelt, das Echtzeit-Messungen der Gewebesauerstoffwerte tief unter der Haut liefern kann. Das Gerät, das kleiner ist als der durchschnittliche Marienkäfer und durch Ultraschallwellen betrieben wird, ebnet den Weg für die Schaffung einer Vielzahl miniaturisierter Sensoren, die wichtige biochemische Marker im Körper wie pH-Wert oder Kohlendioxid verfolgen könnten. Diese Sensoren könnten Ärzten eines Tages minimal-invasive Methoden zur Überwachung der Biochemie in funktionsfähigen Organen und Geweben bieten.

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 stetige Versorgung, um zu überleben. Die meisten Methoden zur Messung der Gewebesauerstoffversorgung können nur Informationen über das Geschehen nahe der Körperoberfläche liefern. Das liegt daran, dass diese Methoden auf elektromagnetischen Wellen wie Infrarotlicht beruhen, die nur wenige Zentimeter in Haut oder Organgewebe eindringen können. Obwohl es Arten der Magnetresonanztomographie gibt, die Informationen über tiefe Gewebesauerstoffversorgung liefern können, erfordern sie lange Scanzeiten und können daher keine Echtzeitdaten liefern.

Ultraschallwellen, die eine Form von Schall sind, die zu hoch in der Frequenz ist, um vom menschlichen Ohr detektiert zu werden, können harmlos durch den Körper bei viel größeren Entfernungen als elektromagnetische Wellen reisen und sind bereits die Basis der Ultraschallbildgebungstechnologie in der Medizin.

Die Integration des Sauerstoffsensors erforderte die Einbindung sowohl einer LED-Lichtquelle als auch eines optischen Detektors in das winzige Gerät sowie das Design eines komplexeren 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 Hämoglobins im Blut messen, der sauerstoffgesättigt ist, kann das neue Gerät direkt die Menge an Sauerstoff im Gewebe messen.

Eine potenzielle Anwendung des Geräts ist die Überwachung von Organtransplantationen, da in den Monaten nach einer Organtransplantation vaskuläre Komplikationen auftreten können, die zu Transplantatdysfunktion führen können. Es könnte auch zur Messung von Tumorhypoxie eingesetzt werden, was Ärzten helfen kann, die Krebstrahlentherapie zu steuern.

Bei Frühgeborenen kann zusätzlicher Sauerstoff erforderlich sein, aber Ärzte haben keine zuverlässige Gewebemessung der Sauerstoffkonzentration. Weiter miniaturisierte Versionen dieses Geräts könnten helfen, die Sauerstoffexposition bei Frühgeborenen in der Intensivpflege besser zu managen und einige der negativen Folgen übermäßiger Sauerstoffexposition wie Retinopathie der Frühgeburt oder chronische Lungenerkrankungen zu minimieren.

Die Technologie könnte weiter verbessert werden, indem der Sensor so eingekapselt wird, dass er langfristig im Körper überleben könnte. Eine weitere Miniaturisierung des Geräts würde auch den Implantationsprozess vereinfachen, der derzeit eine Operation erfordert. Zusätzlich könnte die optische Plattform im Sensor leicht angepasst werden, um andere Biochemie im Körper zu messen. Durch einfaches Ändern der für den Sauerstoffsensor gebauten Plattform kann das Gerät modifiziert werden, um beispielsweise pH, reaktive Sauerstoffspezies, Glukose oder Kohlendioxid zu messen. Wenn die Verpackung kleiner gemacht werden könnte, könnte das Gerät mit einer Nadel in den Körper injiziert oder durch laparoskopische Chirurgie implantiert werden, was die Implantation noch einfacher machen würde.