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Insulin per Smart-Watch

Schweizer Forschende haben einen Genschalter entwickelt, der sich mit dem grünen LED-Licht handelsüblicher Smartwatches betätigen lässt – eine Premiere, die künftig für die Diabetesbehandlung genutzt werden könnte.

Viele moderne Uhren haben LED-Dioden integriert. Diese geben kontinuierlich oder gepulst grünes Licht ab, das die Haut durchdringt und unter anderem dafür genutzt wird, während sportlicher Betätigung oder in Ruhe den Puls zu messen. Forschende um Martin Fussenegger vom Departement Biosysteme in Basel wollen diese Lichtquelle nun nutzen, um durch die Haut hindurch Gene zu steuern und das Verhalten von Zellen zu verändern.

Sie entwickelten einen molekularen Schalter, der – einmal implantiert – mit grünem Licht von Smartwatches aktiviert werden kann. Dieser ist gekoppelt mit einem genetischen Netzwerk, das die Forschenden menschlichen Zellen hinzufügten. Je nach Konfiguration dieses Netzwerks – sprich: mit welchen Genen es ausgestattet ist – kann es beispielsweise Insulin produzieren, sobald grünes Licht auf die Zellen trifft. Wird das Licht ausgeschaltet, wird der Schalter inaktiviert und der Vorgang stoppt. Die Forschenden benutzten dafür die Standardsoftware der Smartwatch und mussten nicht einmal eigene Programme entwickeln.

Ihr System testeten die Forschenden sowohl an einer Speckschwarte (Lichtdurchlässigkeit) als auch an lebenden Mäusen, denen sie die entsprechenden Zellen implantierten und eine Smartwatch wie ein Rucksack anschnallten. Durch das Starten des Laufprogramms der Uhr schalteten die Forschenden das Grünlicht ein und setzten die Kaskade in Gang.

Es ist das erste Mal, dass man mit elektronischen Geräten, die auf der Hautoberfläche getragen werden, sogenannten Wearables, ein solches Implantat steuern kann, so die Forscher, bis die Technologie jedoch in die Klinik kommt, dauert es noch mindestens 10 Jahre.

Referenz:
Universität Basel
Smart-watch-programmed green-light-operated percutaneous control of therapeutic transgenes, Nature Comm 2021, https://www.nature.com/articles/s41467-021-23572-4

#diabetes #smartwatch #insulin #genschalter #uhr #sportuhr #lichtsteuerung #medizin #medimpressions

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Dreidimensionale Darstellung von roten Blutzellen

Es gibt Krankheiten, die sich auf die Anzahl und Form der roten Blutzellen (Erythrozyten) auswirken. Im gesunden Zustand präsentieren sie sich als dellenartig eingedrückte Scheiben, bei gewissen Erkrankungen können sie aber auch gezackt, kugelförmig oder sichelförmig sein. Einem internationalen Team ist es nun gelungen, Blutzellen dreidimensional darzustellen und die Verteilung der Formen in einer Blutprobe zu messen.

Üblicherweise werden Blutzellen im Mikroskop nur von oben betrachtet. Diese einseitige Sicht kann aber täuschen. Denn was rund erscheint, muss in Wirklichkeit gar keine kugelförmige Gestalt haben. Wissenschaftler haben daher rote Blutzellen von Patienten untersucht, die an hämatologischen Krankheiten leiden und diese mit einem Konfokalmikroskop Schicht für Schicht aufgenommen und so ein dreidimensionales Bild erstellt. Mithilfe leistungsfähiger künstlicher Intelligenz können auf diese Weise tausende Zellen einer Blutprobe in wenigen Sekunden dargestellt und die Verteilung der einzelnen Formen im Blut gemessen werden. Weicht dann die Zusammensetzung der Blutprobe von der Normalverteilung in gesunden Blutproben ab, können Mediziner weiter untersuchen, um welche Krankheit es sich genau handelt.

Die Form der roten Blutzellen genau zu kennen, ist auch sehr wichtig für die Kenntnis des Fließverhaltens des Blutes im Körper. Durch Verformungen der roten Blutzellen strömt das Blut mitunter anders als in gesunden Körpern, so dass Herz-Kreislauf-Erkrankungen die Folge sein können. Mit dieser Methode können nun nicht nur Therapieerfolge gemessen und überwacht werden oder der Schweregrad einer Krankheit genau bestimmt werden, auch  Blutbanken könnten so die Qualität des bei ihnen gelagerten Blutes untersuchen.

Referenz:
Uni Saarland, Utrecht University, Grenoble University, University of Luxemburg
Red blood cell phenotyping from 3D confocal images using artificial neural networks. PLoS Comput Biol 2021; https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1008934

#blutzellen #erythrozyten #mikroskop #form #erkrankung #diagnostik #kuenstlicheintelligenz #medizin #medimpressions

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Ultraleichtes Sensorpflaster ersetzt Kabel und Geräte

Für viele Menschen ist es ein notwendiges Übel – das dreimal tägliche Messen von Blutdruck und Puls. Stress verursachen auch die eingesetzten Messgeräte, die hinsichtlich Größe und Gewicht, als auch Messvorgang meist als unhandlich empfunden werden, was folglich sogar die Blutdruckwerte verfälschen kann.

Diese Situation inspirierte Forscher des Joanneum Research, gemeinsam mit Kollegen der Osaka Universität, ein elektronisches Sensorpflaster für Gesundheitsparameter zu entwickeln, das so dünn ist, dass man es kaum spürt. Insgesamt ist das Pflaster nicht mehr als 0,0025 mm dick und enthält ein ferroelektrisches Polymer zwischen zwei Elektrodenflächen, das auf einer hauchdünnen Trägerfolie aufgebracht wurde. Es schmiegt sich komplett an die Haut an und ist damit der weltweit erste, ultraflexible piezoelektrische Sensor. Neben der Pulsrate kann das Sensorpflaster Aussagen über die Elastizität der menschlichen Blutgefäße machen und über die Pulswellengeschwindigkeit den Blutdruck messen. Die Messdaten können dank eines Elektronikmoduls auch an ein Smartphone drahtlos übertragen werden.

Besonders faszinierend ist, dass das Sensorpflaster kabellos und komplett energieautark eingesetzt werden kann, da die Gewinnung der elektrischen Energie – mittels entsprechender Schaltung – über biomechanische Bewegungen, etwa während des Stufensteigens, gewonnen werden kann. Dies würde für eine dreimal tägliche Blutdruckmessung ausreichen, so die Forscher, vorausgesetzt, es findet sich ein leichtes  verbrauchsarmes Elektronikmodul für kabellose Datenübertragung, die derzeit noch rar gesät sind.

Elektronische Sensorpflaster könnten künftig als Teil des Screenings bei weiteren Herz-Kreislauferkrankungen, Stressfaktoren und Schlafapnoe eingesetzt werden.

Referenz:
Joanneum Research Weiz/Graz; Osaka University
Imperceptible energy harvesting device and biomedical sensor based on ultraflexible ferroelectric transducers and organic diodes, Nature Comm 2021; https://www.nature.com/articles/s41467-021-22663-6

#messpflaster #sensoren #blutdruckmessung #puls #datenaufzeichnung #smartphone #medizin #medimpressions

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Computerspiele für Forscher

Je größer und umfassender Netzwerke sind, desto schwieriger wird auch ihre Darstellung auf dem Bildschirm. Dies betrifft auch die Interaktion verschiedener Proteinkomplexe im menschlichen Körper. Der Netzwerkwissenschaftler Jörg Menche und seine Forschungsgruppe am CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin entwickelten nun eine Virtual Reality-Plattform, die es ermöglicht, riesige Datenmengen und deren komplexes Zusammenspiel auf eine einzigartige, intuitive Weise zu untersuchen. Dabei bedienten sie sich der Technologie, die normalerweise in der Entwicklung von 3-D-Computerspielen genutzt wird.

Der menschliche Körper stellt mit seinen rund 20.000 Proteinen, die im menschlichen Genom codiert sind und miteinander interagieren, ein riesiges komplexes Netzwerk dar. Stellt man die Protein-Interaktionen dar, entsteht ein kaum darstellbares Bild aus rund 18.000 Punkten – Proteinen – und rund 300.000 Strichen zwischen diesen Punkten.
Um dieses Bild „lesbar“ zu machen, schafften es die ForscherInnen erstmals, die Gesamtheit der Proteininteraktion sichtbar zu machen, um das riesige und komplexe Netzwerk interaktiv erkunden zu können.

Die 3-dimensionale Darstellung kann insbesondere bei der Identifikation seltener Gendefekte wichtig und entscheidend für therapeutische Maßnahmen sein. „Unsere Studie stellt einerseits einen wichtigen „Proof of concept“ unserer VR-Plattform dar, andererseits zeigt sie unmittelbar das enorme Potenzial der Visualisierung molekularer Netzwerke“, so Projektleiter Menche. „Gerade bei seltenen Erkrankungen, schweren Immunerkrankungen, können Proteinkomplexe, die mit spezifischen klinischen Symptomen assoziiert werden, genauer analysiert werden, um Hypothesen über ihre jeweiligen pathobiologischen Mechanismen zu entwickeln. Dies erleichtert die Annäherung an Erkrankungsursachen sowie infolge die Suche nach gezielten therapeutischen Maßnahmen.“

Referenz:
CeMM, St. Anna Kinderkrebsforschung Wien
VRNetzer: A Virtual Reality Network Analysis Platform, Nature Communications 2021; https://www.nature.com/articles/s41467-021-22570-w

#virtualreality #forschung #proteine #interaktionen #darstellung #3D #medizin #medimpressions

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Das Blutbild ist so individuell wie ein Fingerabdruck

Die Zusammensetzung der Moleküle in unserem Blut ist einzigartig, vergleichbar zu einem Fingerabdruck eines Menschen. Verändert sich jedoch der Mix der Moleküle im Organismus könnte dies ein Hinweis darauf sein, dass er erkrankt ist. Voraussetzung einer solchen Diagnose ist es aber, vorab zu wissen, ob der so genannte „molekulare Fingerabdruck“ eines Menschen im gesunden Zustand zuvor über längere Zeit stabil war.

Eine solche Langzeitstabilität bei gesunden Personen hat nun ein deutsches Forscherteam anhand von Fourier-Transform Infrarotmessungen (FTIR) nachgewiesen. Die Forscher zeigten, dass die molekulare Zusammensetzung im Blut einzelner gesunder Personen über mehrere Monate stabil war und sogar individuell zugeordnet werden konnte. „Diese bisher unbekannte zeitliche Stabilität einzelner biochemischer Fingerabdrücke bildet die Grundlage für künftige Anwendungen des blutbasierten Infrarot-Spektral-Fingerabdrucks als verlässliche Art der Gesundheitsüberwachung,“ freut sich das Team „Broadband Infrared Diagnostics“ (BIRD) um die Biologin Mihaela Žigman, LMU München.

Fourier-Transform Infrarotmessungen, die mit konventionellem Licht arbeiten, könnten künftig von Infrarotlaser-basierten Messungen abgelöst werden. Diese Art der Analyse von Molekülen im Blut wäre aufgrund der enormen Stärke des Laserlichts noch exakter als die bisher verwendete FTIR-Methode und könnte auch ganz geringe Mengen von spezifischen Molekülen nachweisen. An entsprechenden Lasertechnologien wird bereits gearbeitet.
Damit besteht die Möglichkeit von wiederholten, minimal-invasiven Messungen von blutbasierten Infrarot-Fingerabdrücken zur zukünftigen Überwachung des menschlichen Gesundheitszustands und damit zur Früherkennung von Krankheiten.

Referenz:
Ludwig-Maximilians-Universität München, Max-Planck-Institut (MPQ)
Stability of person-specific blood-based infrared molecular fingerprints opens up prospects for health monitoring, Nature Communications 2021; https://www.nature.com/articles/s41467-021-21668-5

#blutbild #gesundheitsüberwachung #monitoring #screening #infrarotlaser #gesundheit #molekularerfingerabdruck #medizin #medimpressions

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Brustkrebstherapie: Mathematik als Entscheidungshilfe

Die präzise Therapiewahl bei Brustkrebs hängt entscheidend vom Status der Hormonrezeptoren (für Östrogen und Progesteron) ab. Deren übliche Bestimmung mittels Immunohistochemie (IHC) hat eine gewisse Fehlerrate, die durch Hinzunahme von Genomdaten gesenkt werden kann. Daraus ergeben sich jedoch auch widersprüchliche Befunde, die die Wahl der richtigen Therapie erschweren. In diesen Fällen könnten mathematische Modelle die Entscheidungsfindung deutlich verbessern, ergab eine Studie der Universität Wien an über 3700 Patientinnen.

Die Methodik ist weit über Brustkrebs hinaus anwendbar, und kann überall, wo aus zahlreichen Befunden gleichzeitig Folgerungen zu ziehen sind, eingesetzt werden. Wolfgang Schreiner (CeMSIIS) vergleicht das System mit selbstfahrenden Autos: „Diese prüfen durch Sensoren, ob freie Fahrt möglich ist. Dabei kann ein Sensor ein Hindernis wahrnehmen und eine Notbremsung anfordern. Ein anderer Sensor erkennt keine Gefahr. Was ist dann zu tun? Es gibt zwei mögliche Fehlentscheidungen, und jede ist auf andere Weise riskant: Wird nicht gebremst, passiert ein möglicherweise schwerer Unfall. Bremst der Wagen unnötig, riskiert man einen Auffahrunfall.“ Analog dazu ist die Situation bei der Therapiewahl für Krebspatientinnen, die auf Status der Hormonrezeptoren abgestimmt wird. Eine falsche Entscheidung (Hormon- oder Chemotherapie) würde zu vermeidbaren Nebenwirken führen, im schlimmsten Fall zum Vorenthalten einer lebensrettenden Therapie.

Die Stärke des mathematischen Modells besteht darin, dass sie nicht nur einen einzigen Faktor, nämlich die Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses (z.B. Rezeptor-positiv), sondern auch die Wahrscheinlichkeiten für andere Möglichkeiten (möglicherweise positiv) und (sicher nicht Rezeptor-positiv) mitberechnet. Das Modell hat den Vorteil, dass es „selbst merkt,“ wenn es unsicher ist und liefert dann das Ergebnis „unentscheidbar“. Eine wichtige Information für den Arzt.

Referenz:
MedUni Wien
Decision theory for precision therapy of breast cancer, Sci Rep 2021, 11:4233; https://www.nature.com/articles/s41598-021-82418-7

#brustkrebs #entscheidungstheorie #rezeptor #therapie #diagnose #ihc #medizin #medimpressions

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Oberflächen-Elektrostimulation verhindert Zittern

Patienten mit Essentiellem Tremor leiden an einem rhythmischen Zittern, vornehmlich der Hände. Dieses lässt sich durch tiefe Hirnstimulation mittels eines implantierten Hirnschrittmachers wirksam behandeln. Eine aktuelle Studie zeigt jetzt, dass auch eine nicht-invasive Stimulation mit Oberflächenelektroden die Intensität des Händezitterns deutlich reduzieren kann.

Dazu wurden Patienten feine Elektroimpulse über Klebeelektroden auf der Kopfhaut verabreicht. Wobei die patientenindividuelle Frequenz und Amplitude des Händezitterns mittels eines Beschleunigungssensors, eines sogenannten Accelerometers am Mittelfinger der Probanden gemessen wurde. In Abhängigkeit von diesen Messungen wurde das Gehirn dann mit minimalem Wechselstrom stimuliert. Es zeigte sich, dass bei der Mehrzahl der Patienten das Zittern während der randomisiert wiederholten, 30 Sekunden dauernden Stimulation zurückging oder gänzlich aufhörte.

Für die Steuerung der Stimulation in Echtzeit wurde eine neue mathematische Methode entwickelt, um die kontinuierliche Anpassung an das variable Zittern zu ermöglichen. Der Algorithmus ist so elegant, dass für seine Anwendung nur eine vergleichsweise geringe Rechenleistung nötig ist. Erstautor Sebastian Schreglmann, Uniklinikum Würzburg; „Für die Vision eines nicht-invasiven Hirnschrittmachers ist dies ein wesentlicher Punkt – dadurch könnte ein kleiner, zum Beispiel am Gürtel zu tragender Controller zur Steuerung ausreichen.“ Eine Anwendung dieses Algorithmus ist auch bei anderen Erkrankungen, die auf einer fehlgeleiteten rhythmischen Aktivität im Gehirn basieren, prinzipiell vorstellbar.


Referenzen:
Uniklinikum Würzburg, ICL London, UCL London
Non-invasive suppression of essential tremor via phase-locked disruption of its temporal coherence; Nat Commun 2021; 12:363; https://www.nature.com/articles/s41467-020-20581-7

#elektrostumulation #zittern #tremor #elektroden #gehirn #elektroimpulse #hirnschrittmacher #medizin #medimpressions

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Wenig Vertrauen in den Austausch von Genomdaten

Die Zukunft der Genomforschung könnte in Gefahr sein, belegt die bisher größte Umfrage zum Thema die von der Cambridge University u.a. in Zusammenarbeit mit der Politikwissenschafterin Barbara Prainsack von der Universität Wien durchgeführt wurde. Die meisten Menschen haben  nach wie vor wenig Vertrauen in den für die Genomforschung nötigen Datenaustausch. Weniger als die Hälfte der Befragten möchte ihre genetischen Informationen für mehr als einen Zweck verwendet wissen. Um die Einstellung der Öffentlichkeit gegenüber der Genomforschung und der gemeinsamen Nutzung von Daten zu ermitteln, haben Forscher insgesamt 36.268 Menschen in 22 Ländern und insgesamt 15 Sprachen befragt.

Insgesamt gaben etwa zwei von drei Befragten an, dass sie mit dem Themenbereich der Genetik und Genomik nicht vertraut sind. 52 Prozent der Befragten sagten, sie seien bereit, Ärzten  anonym ihre DNA und medizinische Informationen zu Forschungszwecken zur Verfügung zu stellen,  zwei von drei Befragten würden diese Daten gewinnorientierten Unternehmen wie etwa Pharmafirmen zur Verfügung zu stellen.

Dieses mangelnde Vertrauen in die Art und Weise, in der Daten (auch grenzüberschreitend) geteilt werden, hemmt die Genomforschung erheblich. Denn diese ist darauf angewiesen, dass Kliniker gemeinnützige und gewinnorientierte Forschung weltweit miteinander teilen können. Prainsack dazu: „Es geht nicht nur darum, das Vertrauen der Bevölkerung zu erhöhen. Es geht darum, sicherzustellen, dass Forschungsinstitutionen Daten auf vertrauenswürdige Weise verwenden und teilen, und dass selbst bei gewinnorientierter Forschung ein Teil des Profits zurück in die Hände der Allgemeinheit gelangt.“

Referenzen:
Cambridge University, Universität Wien, Universität Aachen
https://medienportal.univie.ac.at/presse/aktuelle-pressemeldungen/detailansicht/artikel/menschen-haben-wenig-vertrauen-beim-austausch-von-genom-daten/;
Global public perceptions of genomic data sharing: what shapes the willingness to donate DNA and health data? American Journal of Human Genetics; https://www.cell.com/ajhg/fulltext/S0002-9297(20)30292-5

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