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Implantierbarer Biosensor könnte den Fortschritt der Krebstherapie überwachen
Sie haben eine bessere Chance, einen Krieg zu gewinnen, wenn Sie eine gute Intelligenz haben, die Sie von hinter den feindlichen Linien informiert hält. Dies gilt auch für den Kampf gegen Krebs. Ein unschätzbares Werkzeug wäre hier ein implantierbarer Biosensor, der aktuelle Informationen über den aktuellen Zustand eines Tumors und dessen Reaktion auf die Behandlung liefert.
Der Sensor passt in die Spitze einer Biopsienadel.
Bildnachweis: C. C. Vassiliou et al./MIT
Dies ist das Ziel eines Teams von MIT in Cambridge, MA, das ein solches Gerät entwickelt und in der Zeitschrift diskutiert Labor auf einem Chip.
Um die Reaktion eines Krebses auf die Behandlung zu überwachen, verlassen sich Ärzte derzeit auf die Ergebnisse der Magnetresonanztomographie (MRT) und anderer Scan-Technologien sowie auf die Gewebsanalyse von Biopsien.
Diese Methoden können jedoch nur einen Snapshot bereitstellen, der bereits zum Zeitpunkt der Analyse der Ergebnisse in der Historie enthalten ist. Im Falle von Biopsien gibt es auch eine Grenze dafür, wie oft Sie mit einem riskanten Verfahren in den Körper eindringen können, um eine Probe zu entnehmen.
Jetzt haben Forscher vom MIT-Koch-Institut für Integrative Krebsforschung ein implantierbares Gerät entwickelt, das Einblicke in den Zustand eines Tumors ermöglicht. Ein solches Gerät würde Ärzten die Möglichkeit geben, die Therapiedosierung zu ändern und möglicherweise unnötige Nebenwirkungen zu reduzieren.
Einer der Entwickler, Michael Cima, Professor für Ingenieurwissenschaften und leitender Autor der Studie, sagt:
"Wir wollten ein Gerät herstellen, das uns ein chemisches Signal über das Geschehen im Tumor geben würde. Anstatt Monate zu warten, um zu sehen, ob der Tumor schrumpft, könnten Sie früh lesen, um zu sehen, ob Sie sich in die richtige Richtung bewegen . "
Biosensor überwacht pH und gelösten Sauerstoff
Der Biosensor überwacht zwei Biomarker: pH (ein Maß für die Acidität) und gelösten Sauerstoff. Dies sind wertvolle Indikatoren dafür, wie gut der Tumor auf die Behandlung anspricht. Wenn die Chemotherapie beginnt zu wirken, wird das Tumorgewebe saurer.
"Oft sehen Sie die Reaktion chemisch, bevor Sie einen Tumor tatsächlich schrumpfen sehen", sagt Prof. Cima. In der Tat, erklärt er, können einige Therapien sogar eine Immunantwort auslösen, die eine Entzündung verursacht, was wiederum dazu führen kann, dass der Tumor wächst, wenn die Therapie tatsächlich wirksam wird.
Durch Messung von gelöstem Sauerstoff hilft der Biosensor den Ärzten, die geeignete Dosis für die Behandlung zu bestimmen, da Tumoren unter sauerstoffarmen (hypoxischen) Bedingungen gedeihen.
Der winzige Biosensor ist so klein, dass er in die Spitze einer Biopsienadel passt. Es besteht aus einer biokompatiblen Kunststoffhülle, die 10 ml chemischer Kontrastmittel enthält, die typischerweise bei MRI-Scans verwendet werden, und einer Elektronik zum Senden von Ablesungen an ein externes Gerät.
Die Stromversorgung des Geräts beruht auf dem externen Leser. Es gibt eine kleine Metallspule im Gerät und eine größere im Lesegerät. Ein elektrischer Strom magnetisiert die Spule in dem Lesegerät, die durch einen Prozess, der Gegeninduktivität genannt wird, eine Spannung in der Spule des Sensors aufbaut, wenn sie in der Nähe davon ist.
Um eine Ablesung zu erhalten, sendet der Leser eine Reihe von Impulsen aus, die bewirken, dass der Sensor mit Signalen "zurückklettert", die von einem Computer interpretiert werden, der mit dem Lesegerät verbunden ist. Der Computer wandelt die Signale des Sensors in Messwerte um, die Veränderungen in den Biomarkern anzeigen.
Tests zeigten, dass der Biosensor schnell, genau und zuverlässig ist
Um das Gerät zu testen, implantierte das Team es in Ratten. Die Tests zeigten, dass die Sensoren schnelle, genaue und zuverlässige Signale über den pH-Wert und die Sauerstoffkonzentration im Gewebe senden konnten.
Das Team möchte nun sehen, wie gut der Sensor Änderungen des pH-Werts über längere Zeiträume misst. "Ich möchte diese Sonden drücken, damit wir sie zur Überwachung der Tumorreaktion verwenden können", sagt Prof. Cima. "Wir haben in diesen Experimenten ein bisschen davon gemacht, aber wir müssen das wirklich robust machen."
Er sieht voraus, dass die Sensoren die Gesundheit der Patienten über viele Jahre hinweg überwachen.
"Es gibt heute Tausende von Menschen, die leben, weil sie implantierbare Elektronik wie Herzschrittmacher und Defibrillatoren haben", bemerkt Prof. Cima. "Wir machen diese Sensoren aus Materialien, die in solchen Langzeit-Implantaten enthalten sind, und da sie so klein sind, glaube ich nicht, dass es ein Problem geben wird."
Während die Krebsbehandlung den Schwerpunkt ihrer Arbeit bildet, sehen die Forscher auch andere Anwendungen für den Biosensor und würden gern mit Forschern auf anderen Gebieten wie der Umweltwissenschaft arbeiten, wie Prof. Cima erklärt:
"Zum Beispiel könnten Sie damit den gelösten Sauerstoff oder den pH-Wert an vielen verschiedenen Standorten in einem Teich oder See messen. Ich bin begeistert, dass diese Sensoren große Datenmengen in die Umweltüberwachung einbeziehen."
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