Mobiler Sensor ermöglicht bessere Entwicklung von Krebsmedikamenten

Mobile Sensoren, auch englisch Wearables genannt, sind schon lang im Einsatz und ermöglichen eine Verbesserung der Gesundheit und des Wohlbefindens. 

Das reicht bereits von der Echtzeitüberwachung des Blutdrucks und von Herzrhythmusstörungen über die Messung von Blutzuckerwerten bei Diabetes bis hin zur Erfassung von drohendem Wundliegen in Krankenhäusern oder Pflegeheimen.

Um was geht es bei der neuen Studie?

Nun zeigt eine neue Studie, die in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht wurde, dass Wearables auch für das Labor vielversprechend sind. Ein Team von Forschern und Ingenieuren hat einen Klebestreifen entwickelt, der auf den ersten Blick wie ein Pflaster aussieht.

• Dieser flexible Verband enthält jedoch einen hochempfindlichen, batteriebetriebenen Sensor, der aktiviert wird, wenn er auf der Haut platziert wird, von wo aus er das Wachstum von an oder unter der Haut liegenden Tumoren registriert und misst.

Dieser Sensor ist so empfindlich, dass er Größenänderungen eines Tumors bis auf einen hundertstel Millimeter genau erkennen kann. Das Gerät überträgt diese Messungen an eine Smartphone-App und erfasst Minute für Minute alle Veränderungen im Tumorwachstum.

So kann früher und mit größerer Automatisierung und Präzision als jemals zuvor bestimmen werden, welche Tumore wachsen. Noch wichtiger ist allerdings, dass so in frühen Labortests im Mausmodell auch neue Medikamente gegen das Tumorwachstum in ihrer Wirksamkeit besser erforscht und weiter untersucht werden können.

In ihren Untersuchungen an Mausmodellen von Krebs stellten die Forscher der Studie fest, dass der neue Sensor innerhalb von fünf Stunden Unterschiede zwischen Tumoren erkennen konnte, die mit einem aktiven Medikament oder mit einem Placebo behandelt wurden. Diese schnellen Ergebnisse wurden auch mit traditionelleren Methoden überprüft, um ihre Genauigkeit zu bestätigen.

Wie sind die Forscher auf den neuen Ansatz ihrer Studie gekommen?

Das Forscher begann mit der Suche nach einer technologischen Lösung, nachdem es erkannt hatte, dass die frühzeitige Erprobung potenzieller Krebsmedikamente normalerweise von Forschern knifflige Messungen mit zangenartigen Messschiebern von Hand erfordert.

Das Verfahren ist nicht nur mühsam und langsam, es ist auch alles andere als ideal, um Veränderungen im Weichgewebe mit der gewünschten Präzision zu erfassen. Die Ungenauigkeit kann auch zu falschen Hinweisen führen, die sich in der Medikamentenentwicklungspipeline nicht weiter ausbreiten, was zu großem Zeit- und Kostenaufwand für ihre Entwickler führt.

Um den Prozess zu verfeinern, wandte sich das Forscherteam der tragbaren Technologie und den jüngsten Fortschritten bei flexiblen elektronischen Materialien zu. Sie entwickelten ein Gerät namens FAST (kurz für Flexible Autonomous Sensor Measuring Tumors).

• Der dabei in ein Hautpflaster eingebettete Sensor besteht aus einem flexiblen und dehnbaren, hautähnlichen Polymer mit eingebetteten Goldschaltkreisen.

Wie funktioniert der neue FAST-Sensor?

Auf das Polymer-Hautpflaster ist eine Goldschicht aufgetragen. Beim Dehnen entstehen kleine Risse, die die elektrische Leitfähigkeit des Materials verändern. 

Wenn sich das Material auch nur geringfügig dehnt, nimmt die Anzahl der Risse zu, wodurch sich auch der elektronische Widerstand im Sensor erhöht. Wenn sich das Material zusammenzieht, kommen Risse wieder zusammen und die Leitfähigkeit verbessert sich.

Indem das Gerät diese Leitfähigkeitsänderungen erfasst, misst es genau die Belastung der Polymermembran – ein Hinweis darauf, ob der darunter liegende Tumor stabil ist, wächst oder schrumpft – und überträgt diese Daten an ein Smartphone.

Auf der Grundlage dieser Informationen können potenzielle Therapien, die mit einer schnellen Tumorschrumpfung verbunden sind, für weitere Studien beschleunigt werden, während diejenigen, die ein weiteres Wachstum des Tumors ermöglichen, verworfen werden können.

Was sind die Vorteile des neuen FAST-Geräts bei der Früherkennung von Krebsmedikamenten?

Die Forscher testen ihren Sensor in weiteren Krebsmodellen und mit weiteren Therapien, um die ersten Erkenntnisse zu erweitern. Sie haben bereits mindestens drei signifikante Vorteile ihres Geräts bei der Früherkennung von Krebsmedikamenten identifiziert:

• FAST ist nicht-invasiv und erfasst selbst präzise Messungen.
• Es kann eine kontinuierliche Überwachung über Wochen, Monate oder während des Studiums ermöglichen.
• Der flexible Sensor umgibt den Tumor vollständig und kann daher 3D-Formveränderungen erkennen, die sonst mit bestehenden Technologien in Echtzeit schwer zu erfassen wären.

Kann das FAST-Gerät jetzt schon eingesetzt werden, um zu überwachen, ob eine Chemotherapie wirkt?

Bisher wurde FAST noch nicht an Menschen getestet oder eingesetzt. Allerdings weist FAST auf das enorm große Potenzial von Wearables in der menschlichen Gesundheit und auch im Forschungslabor hin und es wird nicht mehr lange dauern, bis es auch zu ersten Tests an Menschen kommt.

Quellen

• A flexible electronic strain sensor for the real-time monitoring of tumor regression. Abramson A et al. Science Advance. 2022 Sep 16.
• Stanford Wearable Electronics Initiative. Stanford University, Palo Alto, CA.

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ddp