Intelligente Implantate für die Tumortherapie

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Drahtlose Kommunikation und Packaging

Das Implantat steht über eine bidirektionale Funkverbindung in ständigem Kontakt mit einer Empfangseinheit, die die Daten an eine Leitstelle übermittelt. Diese Leitstelle kann risikobehaftete Signalmuster zum Anlass einer zeitnahen therapeutischen Intervention nehmen. Über dieselbe Kommunikationsstrecke wäre es auch möglich eine automatische, evidenzbasierte Intervention über einen entsprechenden Aktuator am Implantat auszulösen.

„Closed Loop“ – autonome Therapiesysteme

Robuste, verlässliche Sensoren sind eine der großen Herausforderungen bei der Realisierung intelligenter Implantate. Eine andere ist die Integration miniaturisierter Medikamentenabgabeinheiten, um ein vollständig autonomes Therapiesystem zu erhalten. Eine angeschlossene Aktorik kann direkt auf eintreffende Sensordaten reagieren und eine lokoregionale Therapie durchführen.

So kann z.B. eine exakt definierte Wirkstoffmenge im Rahmen einer lokalen Chemotherapie in unmittelbarer Tumornähe als Antwort auf ein validiertes Sensorsignal freigesetzt werden. Die Vorteile liegen auf der Hand: geringere Gesamtwirkstoffmengen durch Tumorstatus-gesteuerte Abgabe, höhere lokale Wirkstoffkonzentrationen und geringere Nebenwirkungen als bei einer systemischen Therapie. Ein anderes interessantes Anwendungsgebiet ist die Detektion von Entzündungen in der Nähe eines neu eingesetzten künstlichen Gelenks. Damit könnte die Abgabe eines Antibiotikums direkt an der entzündeten Stelle durch eine Mikropumpe ausgelöst werden.

Schwierig gestaltet sich die Realisierung von Systemen, die klein genug für die minimalinvasive oder endoskopische Positionierung im Körper sind. Die Technologien müssen klein, genau genug, um im Nanoliter-Bereich zu dosieren, sicher für die intrakorporale Nutzung sowie energiesparend sein. Diese Anforderungen disqualifizieren bereits eine ganze Palette möglicher technologicher Ansätze. Piezoelektrische Aktoren benötigen hohe Spannungen, die eine Gefahr bei intrakorporalem Einsatz darstellen. Gasgetriebene Pumpen, die schon heute in der Schmerztherapie verwendet werden, sind relativ groß und benötigen ein stabiles Gehäuse, welches ein Austreten von Gas in den Körper des Patienten im Falle einer Fehlfunktion verhindert.

Linearmotoren haben bewegliche Teile, die schwer zu miniaturisieren sind. Es gibt allerdings sehr kleine Systeme, die in Siliziumtechnologie gefertigt sind und auflösbare Membranen einsetzen [8]. Diese sind leider noch nicht kommerziell erhältlich. Dasselbe gilt für auf Polymeren basierenden aktiven Ventilen. Im Rahmen der Projekte am Heinz-Nixdorf-Lehrstuhl wurde ein auf wasserstoffproduzierenden Zellen basierender Ansatz näher verfolgt. Diese Zellen haben den Vorteil, dass sie keine externe Energiequelle benötigen, genaue und reproduzierbare Dosierung erlauben und gut miniaturisierbar sind.

Einsatz in geeigneten In-vivo-Modellen

Nachdem die grundlegende Machbarkeit eines implantierbaren pO2-Sensorsystems für die Tumortherapie aufgezeigt und im Experiment validiert wurde, ist nun der nächste Schritt der Einsatz des Systems in geeigneten In-vivo-Modellen. Bei erfolgreichem Verlauf kann sich daran dann eine Produktentwicklung anschließen. Die Erfassung weiterer Parameter wie der extrazellulären Ansäuerung, der Temperatur und der Impedanz wird dabei berücksichtigt.

Die vorgestellten Projekte am Heinz-Nixdorf-Lehrstuhl wurden vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF-Forschungsprojekte „Intellitum“, FKZ 16SV3777 und „Themic“, FKZ 16SV5044) und von der Heinz-Nixdorf-Stiftung unterstützt. n

Literatur

[1] V. Sharma, ”The future is wireless: advances in wireless diagnostic and therapeutic technologies in gastroenterology,“ Gastroenterology, vol. 137, pp. 434-439, 2009.

[2] B. Wolf, et al., ”Potential of microsensor-based feedback bioactuators for biophysical cancer treatment,“ Biosensors and Bioelectronics, vol. 12, pp. 301-309, 1997.

[3] P. Vaupel, et al., ”Oxygenation of human tumors: evaluation of tissue oxygen distribution in breast cancers by computerized O2 tension measurements,“ Cancer Res, vol. 51, pp. 3316-22, Jun 15 1991.

[4] M. Kraus and B. Wolf, ”Physicochemical microenvironment as key regulator for tumor microevolution, invasion, and immune response: Targets for endocytotechnological approaches in cancer treatment,“ ENDOCYTOBIOSIS AND CELL RESEARCH, vol. 12, pp. 133-156, 1998.

[5] D. Epari, et al., ”Pressure, oxygen tension and temperature in the periosteal callus during bone healing-An in vivo study in sheep,“ Bone, vol. 43, pp. 734-739, 2008.

[6] M. Sattler, et al., ”Implantable sensor system for the monitoring of bone healing,“ in IFMBE Proceedings, 2009, Volume 25/8, 281-284, DOI: 10.1007/978-3-642-03887-7_81 2009, pp. 281-284.

[7] C. Johnson and D. Paul, ”In situ calibrated oxygen electrode,“ Sensors and Actuators B: Chemical, vol. 105, pp. 322-328, 2005.

[8] J. Santini Jr, et al., ”Microchips as implantable drug delivery devices,“ Ang. Chem. Int. Ed, vol. 39, p. 2396Y2407, 2000.

* S. Becker, J. Clauss, Yazay Eminaga, D. Anker Hofsöy, B. Wolf: TU München, Heinz-Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische Elektronik, 80333 München

* J. Wiest: cellasys GmbH, Innovationszentrum Medizinische Elektronik, 80335 München

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