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Am kalifornischen Caltech haben Ingenieure eine Technik entwickelt, mit der Massenproduktion von tragbaren Schweißsensoren aus dem Tintenstrahldrucker möglich wird.
Personalisierte Medizin setzt voraus, zu wissen, was jeder einzelne braucht. Biomarker machen das grundsätzlich möglich, nur müssen die erfasst werden. Ingenieure am California Institute of Technology, kurz Caltech, ist es nun gelungen, mit einer neuen Methode im herkömmlichen Tintenstrahldruckverfahren Nanopartikel zu sogenannten Arrays anzuordnen, also zu einer festen Datenstruktur. Das Ergebnis sind langlebige, tragbare Schweißsensoren, die gleich eine Vielzahl von Biomarkern wie Vitamine, Hormone, Stoffwechselprodukte und Medikamente in Echtzeit überwachen können.
Erste Test waren bereits erfolgreich. Tragbare Biosensoren mit den neuen Nanopartikeln wurden bereits erfolgreich zur Überwachung von Stoffwechselprodukten bei Long-Covid-Patienten und zur Überwachung der Konzentration von Chemotherapeutika bei Krebspatienten im City of Hope in Duarte, Kalifornien, eingesetzt.
Dies sind allerdings nur zwei Beispiele dafür, was alles möglich ist, sagt Wei Gao, Professor für Medizintechnik am Andrew and Peggy Cherng Department of Medical Engineering am Caltech: „Es gibt viele chronische Erkrankungen und deren Biomarker, die wir mit diesen Sensoren nun kontinuierlich und nichtinvasiv überwachen können.“
Schlüssel-Schloß-Prinzip
Gao und sein Team beschreiben die Nanopartikel als kubische Kern-Schale-Nanopartikel. Die Würfel werden in einer Lösung gebildet, die das Molekül enthält, das die Forscher verfolgen wollen – zum Beispiel Vitamin C. Wenn sich die Monomere spontan zu einem Polymer zusammenfügen, wird das Zielmolekül – in dem Fall Vitamin C – in den kubischen Nanopartikeln eingeschlossen. Anschließend werden die Vitamin-C-Moleküle mit einem Lösungsmittel gezielt entfernt, so dass eine molekular geprägte Polymerhülle mit Löchern zurückbleibt, deren Formen genau denen der Vitamin-C-Moleküle entsprechen – ähnlich wie bei künstlichen Antikörpern, die selektiv nur die Formen bestimmter Moleküle erkennen.
In der neuen Studie kombinieren die Forscher diese speziell geformten Polymere mit einem Kern aus Nanopartikeln aus Nickelhexacyanoferrat (NiHCF). Dieses Material kann unter einer angelegten elektrischen Spannung oxidiert oder reduziert werden, wenn es mit menschlichem Schweiß oder anderen Körperflüssigkeiten in Kontakt kommt. Um auf das Vitamin-C-Beispiel zurückzukommen: Solange die Vitamin-C-förmigen Löcher nicht besetzt sind, kommt die Flüssigkeit mit dem NiHCF-Kern in Berührung, was ein elektrisches Signal erzeugt.
Kommen jedoch Vitamin-C-Moleküle mit dem Polymer in Kontakt, füllen sie die exakt passenden Löcher und verhindern so, dass Schweiß oder andere Körperflüssigkeiten mit dem Kern in Kontakt kommen. Dadurch wird das elektrische Signal geschwächt. Die Stärke des elektrischen Signals verrät dann, wie viel Vitamin C vorhanden ist.
Auf Langzeitmessung ausgelegt
Dieser Kern sei das Entscheidende, betont auch Gao: Der Kern aus Nickelhexacyanoferrat ist selbst in biologischen Flüssigkeiten sehr stabil, was diese Sensoren ideal für Langzeitmessungen macht.“
Die neuen Kern-Schale-Nanopartikel sind äußerst vielseitig und können für den Druck von Sensoranordnungen verwendet werden, die den Gehalt an mehreren Aminosäuren, Stoffwechselprodukten, Hormonen oder Medikamenten in Schweiß oder Körperflüssigkeiten messen, indem einfach mehrere Nanopartikel-„Tinten“ in einer einzigen Anordnung verwendet werden.
Im Rahmen ihrer Studie druckten die Forscher beispielsweise Nanopartikel, die an Vitamin C binden, zusammen mit Nanopartikeln, die an die Aminosäure Tryptophan und Kreatinin binden, einem Biomarker, der üblicherweise gemessen wird, um festzustellen, wie gut die Nieren arbeiten. Alle Nanopartikel wurden in einem Sensor kombiniert, der dann in Massenproduktion hergestellt wurde. Diese drei Moleküle sind für Studien an Long-Covid-Patienten von Interesse.
In ähnlicher Weise druckten die Forscher auf Nanopartikeln basierende tragbare Sensoren, die für drei verschiedene Antitumor-Medikamente spezifisch waren, auf einzelne Sensoren, die dann an Krebspatienten bei City of Hope getestet wurden.
Gezielte Medikamentengabe
„Wir konnten das Potenzial dieser Technologie auch demonstrieren, indem wir die Menge der Krebsmedikamente im Körper zu einem bestimmten Zeitpunkt aus der Ferne überacht haben“, sagt Gao. „Dies weist den Weg, wie eine Dosis-Personalisierung nicht nur bei Krebs Wirklichkeit werden kann, sondern auch bei vielen anderen Erkrankungen.“
In der Arbeit zeigte das Team ferner, dass die Nanopartikel zum Drucken von Sensoren verwendet werden können, die direkt unter die Haut implantiert werden können, um den Medikamentenspiegel im Körper genau zu überwachen.
