Lebender Sensor: Hautimplantat leuchtet bei Entzündung

Ein Forschungsteam aus Japan hat ein neuartiges, biohybrides Sensorsystem entwickelt: Ein Hautimplantat signalisiert mittels Fluoreszenz, wenn im Körperinneren Entzündungsprozesse stattfinden. Die Studie liefert den ersten Proof-of-Concept für ein „Living Sensor Display“.

Mit Smartwatches und anderen tragbaren Geräten lassen sich inzwischen einige physiologische Parameter mehr oder weniger zuverlässig messen. Doch die Messung und Überwachung von zellulären und Protein-Biomarkern bedürfen üblicherweise einer Blutentnahme oder extern angebrachten Sensoren, die nur für eine begrenzte Zeit zuverlässig funktionieren, wie beispielsweise kontinuierliche Glukosemesssysteme (CGM).

„Konventionelle Verfahren sind oft invasiv oder liefern nur Momentaufnahmen“, so Prof. Hiroyuki Fujita von der Tokyo City University (Japan). „Unser Ziel war es, ein biologisch integriertes System zu entwickeln, das eine kontinuierliche Messung und intuitive Interpretation ermöglicht, sogar zu Hause.“ Er und sein Team haben deshalb einen biohybriden Ansatz entwickeltet, bei dem ein künstliches Hauttransplantat mittels Fluoreszenz auf spezifische Biomarker reagiert. Die Arbeiten wurden kürzlich in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.

Stammzellen fluoreszieren bei Entzündung

Für ihren Ansatz nutzten die Forschenden epidermale Stammzellen, die die Haut lebenslang auf natürliche Weise erhalten und erneuern. Diese manipulierte das Team genetisch so, dass sie bei Aktivierung des NF-κB-Signalwegs das fluoreszierende Protein EGFP exprimieren. Aus diesen Zellen stellten die Forschenden anschließend Hautgewebe her und transplantierten es in Mäuse, wo sich das künstliche Gewebe funktionell in das Empfängergewebe integrierte. Werden durch umliegende oder systemische Entzündungsprozesse Zytokine freigesetzt, insbesondere der Tumornekrosefaktor alpha (TNFa), so beginnen die manipulierten Zellen in der Haut grün zu leuchten.

Da das Transplantat aus lebenden Stammzellen besteht, wird es durch den natürlichen Regenerationsprozess aufrechterhalten. „Im Gegensatz zu herkömmlichen Geräten, die eine Stromquelle benötigen oder regelmäßig ausgetauscht werden müssen, wird dieses System biologisch vom Körper selbst aufrechterhalten“, erklärt Prof. Shoji Takeuchi von der Universität Tokio (Japan). „In unseren Experimenten blieb die Funktionalität des Sensors über 200 Tage erhalten, da die künstlich hergestellten Stammzellen die Epidermis kontinuierlich regenerierten.“

Langfristige Überwachung – ohne Batterien?

Der Ansatz befindet sich derzeit noch in einem frühen präklinischen Stadium. Dennoch liefert die Studie einen ersten Proof-of-Concept für die langfristige, biologisch integrierte Sensorik ohne Batterien, Verkabelung oder aktive Bedienung durch den Nutzer. Obwohl sich diese Arbeit vorerst auf Entzündungssignale konzentriert, ist die zugrundeliegende Strategie anpassungsfähig. Durch Modifizierung der molekularen Zielstrukturen könnten ähnliche künstliche Hautstrukturen entwickelt werden, die auf andere physiologische oder metabolische Signale reagieren.

Die neue Technologie könnte auch über die Humanmedizin hinaus Anwendung finden, beispielsweise in der Veterinärmedizin. Visuelle Indikatoren des Gesundheitszustands könnten die Früherkennung von Krankheiten bei Tieren unterstützen, die keine Symptome mitteilen können. (mkl/BIERMANN)