Quipu als Vorbild: MIT-Wissenschaftler entwickeln einfaches Diagnosegerät für den Gastrointestinaltrakt

Forschende vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Cambridge (USA) haben ein neues Gerät entwickelt, das nach ihren eigenen Angaben eine kostengünstigere und einfacher herzustellende Alternative zu bestehenden Instrumenten für die Diagnose einer Störung der gastrointestinalen Motilität darstellen könnte. Inspiriert wurde die Neuentwicklung von der Knotenschrift der Inka.

Der Begriff „Quipu“ bezeichnet sowohl diese Knotenschrift selbst als auch die dafür verwendeten geknoteten Schnüre, die zur Übermittlung von Informationen verwendet wurden.

In Tierversuchen zeigten die MIT-Wissenschaftler und Mitarbeiter des Brigham and Women’s Hospital in Boston (USA), dass ein auf der Quipu-Technik basierendes Gerät – ein mit flüssigem Metall gefüllter und mehrfach geknoteter Silikonschlauch – ähnliche Messwerte liefert wie die hochauflösende Manometrie.

„Der Aufbau ist wirklich einfach und kostengünstiger, aber wir können damit eine Messung durchführen, für die normalerweise Geräte erforderlich wären, die Tausende von Dollar kosten, und für die ein viel komplizierteres Instrument erforderlich wäre“, erklärt Prof. Giovanni Traverso. Er ist sowohl Maschinenbauprofessor am MIT als auch Gastroenterologe am Brigham and Women’s Hospital und hat die Untersuchung zu dem neuen Gerät geleitet. Kewang Nan und Sahab Babaee vom MIT sind die Hauptautoren der Studie, deren Ergebnisse kürzlich in „Nature Biomedical Engineering“ veröffentlicht wurden.

„Mit der hochauflösenden Manometrie können der Druck und die Geschwindigkeit gemessen werden, mit der sich kontraktile Wellen ausbreiten. Jedoch sind diese Systeme ziemlich teuer, im Bereich von Zehntausenden von Dollar, und sie müssen zwischen den Untersuchungen verschiedener Patienten gewartet und sterilisiert werden“, erklärt Traverso.

Traverso – der in Peru aufwuchs – und Nan überlegten, dass sich mit der Inka-Technologie des Quipu ein einfacheres Diagnosegerät entwickeln lassen könnte. „Unser Ziel war es, ein Gerät zu entwickeln, das mit den bereits existierenden, kommerziell erhältlichen, katheterbasierten Druckwandlern vergleichbar ist, aber gleichzeitig die Kosten senkt und die Herstellung und Verwendung vereinfacht“, erklärt Nan.

Die Forschenden begannen mit einem einfachen Katheter aus Silikon, den sie mit Gallium-Indium-Eutektikum füllten und an beiden Enden versiegelten. Bei Gallium-Indium-Eutektikum handelt es sich um ein flüssiges Metall, das in geringen Mengen ungiftig ist. Im ungeknoteten Zustand kann ein solcher Schlauch auf Druckveränderungen reagieren, ist aber so nicht empfindlich genug, um Druckveränderungen im Gastrointestinaltrakt zu erkennen.

Als die Wissenschaftler jedoch in Abständen entlang des Schlauches Knoten setzten, stellten sie fest, dass der Katheter viel empfindlicher auf Druckveränderungen reagierte und Drücke bis zu etwa 200 Millimeter Quecksilbersäule erkennen konnte. Dies entspreche ungefähr dem höchsten im menschlichen Verdauungstrakt beobachteten Druck, so die Autoren.

Diese erhöhte Empfindlichkeit ist laut den Forschenden darauf zurückzuführen, dass die Knoten den Schlauchquerschnitt elongieren und zu einer besseren Komprimierbarkeit des Schlauches führen, wie die Wissenschaftler anhand numerischer Modelle zeigten. Außerdem kommen beim Knoten des Schlauches drei oder vier Abschnitte desselben übereinander zu liegen, was seine Empfindlichkeit gegenüber Druckveränderungen weiter erhöht.

Die Wissenschaftler zeigten auch, dass die Druckempfindlichkeit je nach Art des Knotens und wie fest er ist, variieren kann. Für den Einsatz im Gastrointestinaltrakt verwendeten die Forscher Knoten in einem Abstand von etwa einem Zentimeter, sodass dies dem Abstand der Druckwandler in einem Manometer entsprach. Die Knoten könnten aber für andere Anwendungen auch näher beieinander platziert werden, erklären die Forschenden.

In Tiermodellen verwendeten die Forscher den vom Quipu inspirierten Sensor, um den Druck in der Speiseröhre während der Nahrungsaufnahme und dem Schluckvorgang zu messen. Sie maßen auch den rektoanalen Hemmreflex (RAIR). In beiden Tests erzeugten das neue Device Druckmessungen ähnlich denen der als Goldstandard geltenden Manometrie.

Einfachere Alternative

Zudem konnte die Arbeitsgruppe zeigen, dass das neu entwickelte Device hohen Temperaturen standhalten und in einem Autoklaven behandelt werden kann. Dies verschafft ihm laut den Wissenschaftlern einen Vorteil gegenüber existierenden Manometriekathetern, die chemisch desinfiziert werden müssen. Darüber hinaus sei das auf Quipu zurückgehende Gerät so kostengünstig herzustellen, dass es nach jedem Gebrauch entsorgt werden könne, wenn keine Autoklaven verfügbar sind.

„Sie sind superschnell zu bauen und supergünstig“, sagt Nan. „Eine weitere Motivation, Manometer für den Gastrointestinaltrakt kostengünstig und zum einmaligen Gebrauch herzustellen, ist die Förderung einer dezentralen Diagnose. Hier erleichtert ein niedriger Preis den Zugang [zu einer Diagnostik], indem die Kosten gesenkt werden. [Die Produktion als] Wegwerfartikel trägt weiter zur öffentlichen Akzeptanz bei, indem Wartungskosten entfallen und Komplikationen während des Einsatzes reduziert werden.“

Die von Quipu inspirierten Sensoren könnten dort nützlich sein, wo es keinen Zugang zu aktueller Manometrie-Technologie gibt, aber auch in stärker industrialisierten Regionen als kostengünstigere, benutzerfreundlichere Alternative zur Manometrie, glauben die Forschenden. „Ich denke, diese Art der Diagnostik könnte sowohl in Entwicklungsländern als auch in Industrieländern breit angewendet werden“, erklärt Traverso. „Der nächste Schritt besteht darin, potenzielle Partner zu finden, die uns bei der Herstellung dieser Produkte unterstützen, und sie dann an Patienten zu testen.“