Autonome Medizintechnik: Was läuft im Körper?

Autonom funktionierende Medizintechnik kann theoretisch unter bestimmten Bedingungen im Körper diagnostisch oder therapeutisch aktiv werden. Das klingt erstmal nicht neu, denn es gibt schon lange implantierbare Defibrillatoren, die den Herzrhythmus überwachen und regulieren. Inzwischen wird autonome Medizintechnik für immer mehr Bereiche und Anwendungen entwickelt.

Bereits länger etabliert sind auch Kamerapillen, die zur Kapselendoskopie eingesetzt werden, vor allem zur Untersuchung des Dünndarms, der mit Schlauchendoskopen nur schwer zu erreichen ist. Bei der Untersuchung schluckt der Patient eine Kapsel, die Bilder der Magen- und Darmschleimhäute macht und sie per Funk an einen Empfänger außerhalb des Körpers überträgt. Diese Methode ist zwar autonom, aber beim heutigen Stand nicht wirklich "smart", da die Kapsel nach dem Schlucken lediglich ein festgelegtes Programm durchläuft.

Die erste autonome und smarte Medizintechnik für den Einsatz im menschlichen Körper könnte in Gestalt von miniaturisierten Robotern daherkommen. Dabei handelt es sich nicht um tatsächliche Maschinen, sondern um Gebilde aus Materialien, die auf Gegebenheiten innerhalb des menschlichen Körpers reagieren. Ein Beispiel für solche Anwendungen sind etwa die "Theragripper" der Johns Hopkins Medicine, die sich selbstständig an den Schleimhäuten des Verdauungstrakts festhalten und dort über Zeit eine Medikamentendosis abgeben sollen. Möglich macht dies eine Paraffinschicht, die die Theragripper offenhält und die erst nach einiger Zeit im menschlichen Körper schmilzt, woraufhin die sternförmigen Gebilde zuklappen.

Denkbar sind auch Implantate aus smarten Materialien. Diesen Ansatz verfolgt etwa Prof. Christine Selhuber-Unkel vom Institute for Molecular Systems Engineering (IMSE) an der Universität Heidelberg. Solche Implantate hätten "sensorische und aktorische Komponenten, mit denen sie feststellen, ob sich in der Umgebung etwas ändert, und mit denen sie auf diese Änderung auch reagieren können." Das können sowohl körperinterne Reize sein, wie eine Veränderung des pH-Werts, oder von außen gesteuerte Reize wie Licht. "Wir verfolgen Projekte, in denen wir über responsive Materialien die Freisetzung von Medikamenten steuern wollen. In anderen Projekten geht es darum, das Zellwachstum durch Materialien zu steuern", so Selhuber im Interview mit MEDICA.de.

An der Schwelle zum intelligenten Agieren könnten bald schon Insulinpumpen stehen, die mit einem permanent getragenen Blutzuckersensor (Continuous Glucose Monitoring, CGM) kombiniert werden. Bis heute funktionieren die Pumpen größtenteils halb-autonom, indem sie einen ständigen Insulinbolus abgeben und der Träger nach den Mahlzeiten bei Bedarf zusätzliches Insulin abrufen muss. Den Blutzucker messen und darauf reagieren muss der Träger zwischendurch selbst.

Erst 2019 kam in den USA ein "Hybrid Closed Loop"-System auf den Markt, das über einen Algorithmus mit einem Blutzuckersensor verbunden ist. Abhängig vom damit gemessenen Wert gibt die Pumpe dann mehr oder weniger Insulin ab. Ein Hybrid ist dieses System, weil der Träger noch immer aktiv die Insulingabe nach den Mahlzeiten bestätigen und den Blutzuckersensor zweimal täglich kalibrieren muss. Erst der nächste Schritt in dieser Entwicklung wäre dann eine künstliche Bauchspeicheldrüse, die wie die natürliche Bauchspeicheldrüse den Blutzucker selbstständig reguliert.

Wie sich Medikamentenpumpen auch potenziell in den Körper verlagern lassen, etwa für die Tumorbehandlung, erklärt Dr. Sebastian Kibler vom Fraunhofer EMFT im Interview mit MEDICA.de: "So ein System könnte dann im Brust- oder Bauchraum unter der Haut implantiert werden. Von dort kann ein Katheter zum Ort der Anwendung gelegt werden, meistens direkt in das Tumorgewebe oder die zuführenden Blutgefäße." Für ihn wäre auch die Anwendung der Medikamentenpumpe in der Diabetestherapie als implantierbare Insulinpumpe denkbar. "In diesem Fall wäre eine Implantationsdauer von mindestens zehn Jahren möglich."

Auch eine implantierbare Medikamentenpumpe wäre nur im Rahmen ihrer Programmierung autonom und würde, ähnlich wie Insulinpumpen, einen ständigen Medikamentenbolus abgeben oder auf Abruf arbeiten. Wann und ob Medizintechnik verfügbar sein wird, die wirklich autonom arbeitet und dabei auch intelligent auf sich ändernde Umstände reagiert, ist nicht abzusehen. Am ehesten wird dies bei simplen Mechanismen wie der Medikamentenabgabe als Reaktion auf einen bestimmten Wert zu erreichen sein.

Bei komplexeren Anwendungen wie der Tumortherapie dürfte eine solche Entwicklung weder möglich noch sinnvoll sein. Einerseits ist fraglich, ob es entsprechende sensorische Komponenten geben wird, die beispielsweise dauerhaft auf eine wechselnde Konzentration von tumorassoziierten Biomarkern reagieren könnten. Andererseits bedarf eine solche Behandlung natürlich auch einer engen ärztlichen Kontrolle und Steuerung, was wiederum ein intelligentes Implantat überflüssig macht. Lohnen könnten sich diese Implantate für die Überbrückung zwischen Arztbesuchen, in der eine dauernde Medikamentengabe die unterbrechungsfreie Therapie ermöglicht und dem Patienten Belastungen wie systemische Infusionen erspart.

Als Unterstützung ist auch ein aktives Implantat gedacht, das für die Anwendung bei komplexen Knochenbrüchen an der Universität des Saarlandes entwickelt wird: Es soll vor Fehlbelastungen warnen und gegensteuern, wenn der Knochen falsch zusammenwächst. Künstliche Intelligenz, zahlreiche Messungen an Knochenbrüchen und Gangmustern und das Formgedächtnismaterial Nitinol sollen seine Grundlage sein. Den ersten Prototypen könnte es dann 2025 geben.