Ein winziger Sensor könnte Nadeln durch den Körper führen und den Gesundheitszustand aus der Ferne überwachen

Wenn Sie heutzutage eine Biopsie durchführen lassen, ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass Ihr Arzt Sie bewusstlos schlagen, einen Teil von Ihnen aufschneiden und nach dem benötigten Gewebe suchen muss. Aber was wäre, wenn stattdessen ein winziger Sensor eine Nadel führen und dabei Ihr Inneres abbilden könnte, während Sie (und Ihr Arzt) auf einem Videobildschirm zuschauen?

Das verspricht ein neues Gerät in der Größe eines Sandkorns, das ein Funksignal bis zu einer Entfernung von 25 Zentimetern übertragen kann. Die Arbeit könnte auch Auswirkungen auf die Messung des Blutdrucks und die Verfolgung der Verstoffwechselung von Medikamenten im Körper haben, sagen Forscher.

Das Gerät sei „wirklich spannend“, sagt Nako Nakatsuka, eine Chemikerin, die an der ETH Zürich Miniatur-Biosensoren zur Messung von Gehirnverbindungen entwickelt und nicht an der Studie beteiligt war. Die Fähigkeit, sich mit minimaler Störung im Körper zu bewegen, sei „sehr cool“, sagt sie.

Der neue Sensor, dessen Funktionsweise heute in „Science“ beschrieben wird, besteht aus zwei Magneten: Einer ist an einem Kunststoffgehäuse befestigt, der andere kann sich drehen und schwingen. Ein externes Gerät erzeugt mithilfe elektromagnetischer Spulen ein Magnetfeld, das den zweiten Magneten bewegt. Das Gerät erfasst dann Messwerte wie Temperatur und Druck, indem es Änderungen in diesem zweiten Magneten misst.

„Das Design des Sensors ist wirklich intelligent und ziemlich kreativ – er denkt über den Tellerrand hinaus“, sagt Montserrat Calleja Gómez, eine Physikerin, die am Institut für Mikro- und Nanotechnologie in Madrid nanomechanische Sensoren entwickelt und nicht an der Studie beteiligt war.

Anschließend testeten die Forscher ihren Minisensor in verschiedenen Umgebungen. In einem ungewöhnlichen Experiment klebten sie den Tracker auf den Rücken einer Biene. Selbst bei der hohen Fluggeschwindigkeit der Bienen konnte das Gerät die Bewegungen des Insekts genau verfolgen. „Es war möglich, den Weg und die Orientierung [von Bienen im Flug] zu verfolgen“, sagt Co-Autor Jürgen Rahmer, Physiker bei Philips Research. „Es hat erstaunlich gut funktioniert.“

Rahmers Team bestückte außerdem die Spitze einer Biopsienadel mit dem Sensor und injizierte ihn in einen großen, gewebeähnlichen Gelatineklecks, um zu sehen, ob der Sensor bei der Führung medizinischer Instrumente helfen könnte. Der Sensor verfolgte die Nadel genau und ermöglichte den Wissenschaftlern durch die Bereitstellung einer Karte, wo sich die Nadel befand, die Navigation zu einem Zielbereich (in diesem Fall einer weißen Dummy-Kugel innerhalb des Kleckses). In der realen Welt könnte der Sensor Biopsienadeln, Katheter und andere Instrumente zum genauen Ziel führen, um eine Behandlung durchzuführen, Zellproben zu sammeln oder ein Gewebestück zu sezieren, sagen die Autoren.

Wenn der Sensor verschluckt wird, könnte er auch Echtzeitveränderungen im Körper überwachen, etwa ob Menschen mit Magen-Darm-Problemen auf Medikamente reagieren oder Schübe verspüren, sagt das Team.

Der aufregendste Aspekt sei jedoch, sagt Nakatsuka, die Fähigkeit des Sensors, den Druck zu messen, was es Ärzten eines Tages ermöglichen könnte, Blutdruckänderungen in Blutgefäßen zu erkennen, was möglicherweise eine kontinuierlichere Möglichkeit zur Blutdrucküberwachung bieten könnte, sagt sie.

Auch der Abstand, den die Erkennungsspulen vom Sensor haben können, sei ein großer Fortschritt, sagt Calleja Gómez. Den Forschern sei es gelungen, ein Signal in einer Entfernung von bis zu etwa 25 Zentimetern zu erkennen, was eine Verbesserung gegenüber früheren drahtlosen Technologien darstelle, die nur eine Entfernung von bis zu 5 Zentimetern erreichen könnten, betont sie. Die Vergrößerung dieser Distanz könnte es den Patienten beispielsweise erleichtern, ihren Blutdruck zu Hause zu überwachen, sagen die Autoren.

Das Gerät ist außerdem relativ günstig – es kostet zwischen 1 und 100 US-Dollar, je nachdem, wie lange es im Körper bleiben muss – und wie einfach es herzustellen ist, sagen die Autoren. „Ich kann es auf dem Küchentisch schaffen“, sagt Studienmitautor Bernhard Gleich, Physiker bei Philips. Außer den Magneten sagt er: „Man braucht nur ein bisschen Plastikschlauch, ein bisschen Schnur und ein bisschen Kleber und schon setzt man alles zusammen.“

Dennoch schätzt Gleich, dass es fünf bis acht Jahre dauern könnte, bis das Gerät für einfachste Anwendungen beim Menschen eingesetzt wird. Es ist noch viel Arbeit nötig, um sicherzustellen, dass die Sensoren nicht nur richtig funktionieren, sondern auch den Menschen nicht schaden.

Laut Nakatsuka müssten Studien sicherstellen, dass das Gerät keine negative Reaktion des Immunsystems hervorruft oder den normalen Blutfluss stört. Dennoch seien die Möglichkeiten spannend, sagt sie. „Ich denke, es hat das Potenzial, Orte zu erreichen, an die wir vorher nicht konnten.“