Wissenschaft

Innovationen in der Medizin

Diese neuen Technologien helfen dabei, Krankheiten besser zu erkennen, geeignete Therapien zu entwickeln – und sogar Körperteile zu ersetzen.Mittwoch, 16. Januar 2019

Von National Geographic-Magazin
Ein bionisches Auge aus dem 3D-Drucker der University of Minnesota. Forscher der Universität arbeiten daran, ein bionisches Auge zu drucken, das eines Tages verlorene menschliche Augen ersetzen können soll – mitsamt der Fähigkeit zu sehen.

3D-Druck: bionische Organe

In nur etwa einer Stunde kann ein bionisches Ohr mit einem speziellen 3D-Drucker hergestellt werden. Dafür wird eine Spulenantenne mit elektrisch leitfähigen Silber-Nanopartikeln, Silikonen und knorpelbildende Zellen umlagert. Das fertige Organ wird danach wochenlang in einer Nährstofflösung aufbewahrt, damit die Zellen um und in der Elektronik wachsen können und spätere Abstoßreaktionen erschweren. Das künstliche Ohr kann inzwischen bereits Musik wahrnehmen, muss aber noch mit dem Nervensystem eines Lebewesens verknüpft werden.

Ganz neu sind bionische Augen. Forscher tragen mit einer Tinte aus Silberpartikeln eine Matrix auf ein Glasauge auf, die trotz der gekrümmten Oberfläche am Platz bleibt. Mit halbleitenden Polymermaterialien werden dann Fotodioden auf die Matrix gedruckt. Sie wandeln Licht in elektrische Impulse um. Der nächste Schritt wird die Entwicklung eines Prototyps mit mehr und effizienteren Lichtrezeptoren sein, gedruckt auf einem weichen halbkugelförmigen Material, das in ein echtes Auge implantiert werden kann.

Auch in Deutschland wird an bionischen Organen aus dem 3D-Drucker gearbeitet: Der Sonderforschungsbereich „Biofabrication“ der Universitäten Bayreuth, Erlangen-Nürnberg und Würzburg entwickelt Ohren und Herzgewebe aus Spinnenseide. Deren Proteine sind besonders geeignet, weil sie dem Herzgewebe Struktur und Festigkeit verleihen und die beim Druck in der Biotinte verwendeten Zellen von Menschen oder Tieren nicht beeinträchtigen.

 

3D-Druck: preisgünstige Prothesen

National Geographic-Explorer Albert Lin im Antelope Canyon in Arizona.

Der Weg zu einem künstlichen 
Arm oder Bein beginnt häufig mit einem Gipsabdruck. Aus diesem Abdruck einen Schaft zu fertigen, der genau auf den Stumpf passt,
 ist ein teurer und langwieriger Prozess. Viele Betroffene ohne Krankenversicherung können sich das nicht leisten. National Geographic-Explorer Albert Yu-Min Lin, der 2016 einen Teil seines
 Beins verlor, hat eine Lösung: Smartphones und 3D-Drucker. Die Handykamera kann den Stumpf scannen und die Maße an Experten übermitteln. Diese könnten mit dem 3D-Drucker kostengünstig Prothesen mit dem passenden Schaft herstellen und an Menschen auf der ganzen Welt verschicken.

 

Nanomedizin: der Origami-Roboter

Origami-Roboter

Der Origami-Roboter besteht u.a. aus Schweinedarm und faltet sich akkordeonartig wie eine Origami-Figur in eine bestimmte Form. Auf eine der äußeren Falten wird ein winziger Magnet platziert und alles schließlich von einer leicht zu schluckenden Kapsel aus Eis umgeben. Mithilfe eines externen Magnetfelds „reist“ der Roboter von der Speiseröhre aus weiter durch den Körper und entfaltet sich an seinem Einsatzort: Er entfernt Fremdkörper durch den Verdauungstrakt, versorgt Wunden oder bringt Medikamente an genau den Ort, wo sie gebraucht werden. Sobald er seine Aufgabe erledigt hat, kann er durch den Darm ausgeschieden werden oder sich im Magen, durch bestimmte Wirkstoffe in seinem Schichtaufbau, vollständig zersetzen.

 

Innovationen in der Medizin

DNA-Origami

Chemotherapeutika haben massive Nebenwirkungen. Chinesischen Forschern ist es jetzt gelungen, mithilfe von maßgeschneidertem DNA-Origami Chemotherapeutika und RNA-Interferenz in multiresistente Tumore zu schleusen und effektiv und selektiv Krebszellen zu töten.

Mit DNA-Origami kann man DNA-Stränge zu komplexen, hochgenauen Objekten in Nanogröße falten: Tetraeder, Kätzchen und alles, was den Bioingenieuren nützt.

Ein Algorithmus berechnet, wie ein DNA-Gerüst zu zwei- und dreidimensionalen Formen gebogen werden kann. Kürzere DNA-Stücke halten die Form wie Verbindungsglieder zusammen. Die DNA-Moleküle sind auf der Gerüstoberfläche so angeordnet, dass sie die Funktionsfähigkeit gewährleisten. Mit den speziellen Formen kann man neben Chemotherapeutika und anderen Medikamenten auch Werkzeuge wie etwa Gen-Scheren an die gewünschte Stelle im Körper transportieren. Die Forscher suchen nach dem „heiligen Gral“ des DNA-Origami, sagt Mark Bathe vom Massachusetts Institute of Technology: eine Struktur, die die Blut-Hirn-Schranke überwinden kann. Denn durch die können viele Wirkstoffe das Gehirn nicht erreichen.

 

Fluoreszenz macht die Bestandteile der Prostata­krebszellen sichtbar.

Bessere Analyse von Prostatakrebs

Hochgradige Prostatakarzinome können tödlich sein, niedriggradige Fälle müssen eventuell nur beobachtet werden. In beiden Fällen können die Patienten von den Forschungen an der Cleveland Clinic profitieren. Ein Team fand heraus, dass Männer mit einer testosteronabhängigen genetischen Anomalie auf bestimmte Medikamente anders reagieren. Das könnte eine individualisierte Behandlung möglich machen. Andere Forscher entwickelten einen neuen Bluttest, der das Risiko für Prostatakrebs präziser vorhersagt als bereits bestehende Tests. Er könnte verhindern, dass sich Patienten mit einem geringen Krebsrisiko Biopsien und anderen Behandlungsmethoden aussetzen müssen.

 

Brain-Computer-Interfaces (BCI)

Hoffnung für Patienten mit Schlaganfall, Querschnittslähmung oder Locked-In-Syndrom durch Brain-Computer Interfaces (BCI): Elektroden auf der Kopfhaut oder ein Implantat auf der Hirnhaut oder der Hirnrinde registrieren Signale elektrisch aktiver Nervenzellen und leiten sie an einen Computer weiter. Der digitalisiert sie und liest mithilfe spezieller Algorithmen Muster aus ihnen heraus, die die Absicht des Patienten, z.B. seine Hand zu öffnen, widerspiegeln.  Diese Muster wandelt der Computer dann in Bewegungsbefehle für Geräte und Maschinen um. Besonders komplexe Bewegungen wie die Steuerung von Prothesen gelingen am ehesten über ein Implantat. Menschen die aufgrund eines Schlaganfalls oder einer neurologischen Erkrankung wie ALS nicht kommunizieren können, finden in BCI einen Übersetzer: Zeigt man ihnen nacheinander einzelne Buchstaben, zeichnet der Computer bei den Buchstaben eine gesteigerte Hirnaktivität aus, die die Betroffenen verwenden wollen. Mehrere Buchstaben pro Minute können per BCI herausgefiltert werden, und die Patienten können sich so wieder mit Sprache verständigen.  

 

Tiefe Hirnstimulation (THS): Stromtherapie fürs Gehirn

Innovationen in der Medizin

Hirnschrittmacher helfen bereits vielen Patienten. Dabei geben in das Gehirn implantierte Elektroden (siehe Röntgenbild) Impulse an eng umgrenzte Hirnareale ab und können so krankheitsbedingte Fehlsteuerungen korrigieren. Wie eine Studie unter Beteiligung der Universität Marburg herausgefunden hat, hilft die THS auch Parkinson-Patienten, eine bessere Kontrolle über ihre Impulse zu haben. Parkinson ist eine der häufigsten neurologischen Störungen. Andere Forscher testen, wie sich mit THS psychische Erkrankungen wie Depressionen, Magersucht und Zwangsstörungen behandeln lassen, oder ob sich Konzentration und Gedächtnis von Alzheimer-Patienten durch sie verbessert. Die Tiefe Hirnstimulation kann Erkrankungen nicht heilen, sie kann aber die Symptome deutlich lindern. Eingestellt wird der Impulsgeber über eine Smartphone-App.

 

Für die Gewebeprobe (links) lieferte die KI die Analyse (r.): normales Lungengewebe (grau) und zwei Formen von Krebszellen, Adenokarzinom (rot) und Plattenepithelkarzinomzellen (blau).

Künstliche Intelligenz (KI): das Adlerauge

Man kann Krebszellen nur bekämpfen, wenn man sie wahrnimmt, wie in dieser Lungengewebeprobe. Bei der Erkennung von Mustern eignet sich künstliche Intelligenz: In einer Studie trainierten Forscher dieselbe KI, mit der die Suchmaschine Google Objekte im Internet findet, darauf, Krebszellen zu erkennen. Gleich zwei Formen entdeckte die KI anschließend in einer Gewebeprobe so zuverlässig wie ein Mensch – nur in Sekundenschnelle.

Pflaster zum Messen des Blutdrucks.

Digitale Diagnostik: Pflaster und Selfies für tiefe Einsichten

Dieses Pflaster ist kleiner als eine Briefmarke und lässt tief blicken: Es misst den Blutdruck im Körperinnern, in dem es Ultraschallwellen durch die Haut schickt, die von Gewebe und Blut zurückgeworfen werden. Die gesammelten Daten überträgt es dann an einen Laptop.

Eine Smartphone-App, die derzeit an der University of Washington entwickelt wird, könnte bei der Diagnose von Bauchspeicheldrüsenkrebs helfen: Sie scannt die Sklera oder Lederhaut des Auges auf Anzeichen für Gelbsucht. Anhand eines einfachen Selfies soll die App erhöhte Bilirubinwerte erkennen – einen möglichen Hinweis auf die Krankheit.

 

Lesen Sie mehr zum Thema Heilkunst der Zukunft in Heft 1/2019 des National Geographic-Magazins. Jetzt ein Abo abschließen!

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