Speicherung medizinischer Informationen unter der Hautoberfläche

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Anmerkung des Herausgebers: Dieser Artikel wurde aktualisiert, um klarzustellen, dass diese Forschung entwickelt wurde, um vermeidbare Todesfälle in Teilen der Welt zu vermeiden, in denen Papier- oder digitale Systeme zur Speicherung der Impfunterlagen von Patienten nicht verfügbar sind. Viele Impfstoffe erfordern mehrere Dosen in bestimmten Abständen; Ohne genaue Aufzeichnungen erhalten Menschen möglicherweise nicht alle erforderlichen Dosen. Die Methode befindet sich noch im experimentellen Stadium und wird für keine aktuellen Impfungen, auch nicht für Covid-19-Impfstoffe, eingesetzt.

Jedes Jahr führt mangelnde Impfung zu etwa 1,5 Millionen vermeidbaren Todesfällen, vor allem in Entwicklungsländern. Ein Faktor, der Impfkampagnen in diesen Ländern erschwert, ist die geringe Infrastruktur zur Speicherung von Krankenakten, sodass es oft nicht einfach ist, festzustellen, wer einen bestimmten Impfstoff benötigt.

MIT-Forscher haben nun eine neuartige Möglichkeit entwickelt, die Impfhistorie eines Patienten aufzuzeichnen: Sie speichern die Daten in einem für das bloße Auge unsichtbaren Farbstoffmuster, das gleichzeitig mit dem Impfstoff unter die Haut abgegeben wird.

„In Gegenden, in denen Papierimpfausweise häufig verloren gehen oder überhaupt nicht vorhanden sind und elektronische Datenbanken unbekannt sind, könnte diese Technologie die schnelle und anonyme Erkennung der Impfhistorie von Patienten ermöglichen, um sicherzustellen, dass jedes Kind geimpft wird“, sagt Kevin McHugh, ein ehemaliger MIT-Postdoc, der jetzt Assistenzprofessor für Bioingenieurwesen an der Rice University ist.

Die Forscher zeigten, dass ihr neuer Farbstoff, der aus Nanokristallen, sogenannten Quantenpunkten, besteht, mindestens fünf Jahre lang unter der Haut verbleiben kann und dort Nahinfrarotlicht aussendet, das von einem speziell ausgestatteten Smartphone erkannt werden kann.

McHugh und der ehemalige Gastwissenschaftler Lihong Jing sind die Hauptautoren der Studie, die heute in Science Translational Medicine erscheint. Ana Jaklenec, Forscherin am Koch Institute for Integrative Cancer Research des MIT, und Robert Langer, Professor am David H. Koch Institute am MIT, sind die leitenden Autoren des Artikels.

Eine unsichtbare Aufzeichnung

Vor einigen Jahren machte sich das MIT-Team daran, eine Methode zur Aufzeichnung von Impfinformationen zu entwickeln, die keine zentrale Datenbank oder andere Infrastruktur erfordert. Viele Impfstoffe, beispielsweise der Impfstoff gegen Masern, Mumps und Röteln (MMR), erfordern mehrere Dosen in bestimmten Abständen; Ohne genaue Aufzeichnungen erhalten Kinder möglicherweise nicht alle erforderlichen Dosen.

„Um gegen die meisten Krankheitserreger geschützt zu sein, braucht man mehrere Impfungen“, sagt Jaklenec. „In manchen Gebieten in Entwicklungsländern kann dies eine große Herausforderung sein, da es an Daten darüber mangelt, wer geimpft wurde und ob zusätzliche Impfungen erforderlich sind oder nicht.“

Um eine dezentrale Krankenakte „am Patienten“ zu erstellen, entwickelten die Forscher eine neue Art kupferbasierter Quantenpunkte, die Licht im nahen Infrarotspektrum emittieren. Die Punkte haben nur einen Durchmesser von etwa 4 Nanometern, sind jedoch in biokompatible Mikropartikel eingekapselt, die Kugeln mit einem Durchmesser von etwa 20 Mikrometern bilden. Durch diese Einkapselung bleibt der Farbstoff nach der Injektion unter der Haut an Ort und Stelle.

Die Forscher haben ihren Farbstoff so konzipiert, dass er über ein Mikronadelpflaster und nicht über eine herkömmliche Spritze und Nadel abgegeben wird. Solche Pflaster werden derzeit entwickelt, um Impfstoffe gegen Masern, Röteln und andere Krankheiten zu liefern, und die Forscher zeigten, dass ihr Farbstoff leicht in diese Pflaster eingearbeitet werden kann.

Die in dieser Studie verwendeten Mikronadeln bestehen aus einer Mischung aus löslichem Zucker und einem Polymer namens PVA sowie dem Quantenpunktfarbstoff und dem Impfstoff. Beim Aufbringen des Pflasters auf die Haut lösen sich die 1,5 Millimeter langen Mikronadeln teilweise auf und geben ihre Wirkung innerhalb von etwa zwei Minuten ab.

Durch das selektive Laden von Mikropartikeln in Mikronadeln erzeugen die Pflaster ein Muster in der Haut, das für das bloße Auge unsichtbar ist, aber mit einem Smartphone ohne Infrarotfilter gescannt werden kann. Das Pflaster kann individuell angepasst werden, um verschiedene Muster einzuprägen, die der Art des verabreichten Impfstoffs entsprechen.

„Es ist möglich, dass dieser ‚unsichtbare‘ Ansatz eines Tages neue Möglichkeiten für Datenspeicherung, Biosensorik und Impfstoffanwendungen schafft, die die medizinische Versorgung verbessern könnten, insbesondere in Entwicklungsländern“, sagt Langer.

Effektive Immunisierung

Tests mit menschlicher Leichenhaut zeigten, dass die Quantenpunktmuster von Smartphone-Kameras nach bis zu fünf Jahren simulierter Sonneneinstrahlung erkannt werden konnten.

Die Forscher testeten diese Impfstrategie auch an Ratten, indem sie Mikronadelpflaster verwendeten, die die Quantenpunkte zusammen mit einem Polio-Impfstoff lieferten. Sie fanden heraus, dass diese Ratten eine Immunantwort erzeugten, die der Reaktion von Ratten ähnelte, denen ein herkömmlicher Polio-Impfstoff injiziert wurde.

„Diese Studie bestätigte, dass die Einarbeitung des Impfstoffs mit dem Farbstoff in den Mikronadelpflastern keinen Einfluss auf die Wirksamkeit des Impfstoffs oder unsere Fähigkeit, den Farbstoff zu erkennen, hatte“, sagt Jaklenec.

Die Forscher planen nun, Gesundheitspersonal in Entwicklungsländern in Afrika zu befragen, um Informationen darüber zu erhalten, wie diese Art der Impfaufzeichnung am besten umgesetzt werden kann. Sie arbeiten auch daran, die Datenmenge zu erweitern, die in einem einzigen Muster kodiert werden kann, um Informationen wie das Datum der Impfstoffverabreichung und die Chargennummer der Impfstoffcharge einzubeziehen.

Die Forscher glauben, dass die Verwendung der Quantenpunkte auf diese Weise sicher ist, da sie in einem biokompatiblen Polymer eingekapselt sind. Sie planen jedoch, weitere Sicherheitsstudien durchzuführen, bevor sie sie an Patienten testen.

„Die Speicherung, der Zugriff und die Kontrolle von Krankenakten sind ein wichtiges Thema mit vielen möglichen Ansätzen“, sagt Mark Prausnitz, Lehrstuhlinhaber für Chemie- und Biomolekulartechnik an der Georgia Tech, der nicht an der Forschung beteiligt war. „Diese Studie stellt einen neuartigen Ansatz dar, bei dem die Krankenakte auf minimalinvasive und elegante Weise in der Haut des Patienten gespeichert und vom Patienten kontrolliert wird.“

Die Forschung wurde von der Bill and Melinda Gates Foundation und dem Koch Institute Support (core) Grant des National Cancer Institute finanziert. Weitere Autoren des Papiers sind Sean Severt, Mache Cruz, Morteza Sarmadi, Hapuarachchige Surangi Jayawardena, Collin Perkinson, Fridrik Larusson, Sviatlana Rose, Stephanie Tomasic, Tyler Graf, Stephany Tzeng, James Sugarman, Daniel Vlasic, Matthew Peters, Nels Peterson, Lowell Wood, Wen Tang, Jihyeon Yeom, Joe Collins, Philip Welkhoff, Ari Karchin, Megan Tse, Mingyuan Gao und Moungi Bawendi.

BBC News-Reporterin Lina Zeldovich beleuchtet, wie MIT-Forscher eine Möglichkeit entwickelt haben, die Impfhistorie eines Patienten mithilfe von Mikronadelpflastern unter der Haut einer Person zu speichern. Die Mikronadeln „hinterlassen keine Narben und sind weniger invasiv als herkömmliche Nadeln – es ist, als würde man ein Pflaster aufkleben“, erklärt die Forscherin Ana Jaklenec.

Karen Weintraub beleuchtet in ihrem Beitrag für Scientific American, wie MIT-Forscher eine neue unsichtbare Tinte entwickelt haben, die einem Patienten unter die Haut injiziert werden kann und so eine Aufzeichnung seiner Impfgeschichte hinterlässt. „Wenn wir keine guten Daten haben, ist es wirklich schwierig, Krankheiten auszurotten“, erklärt die Forscherin Ana Jaklenec.

MIT-Forscher haben eine Methode entwickelt, um die Impfhistorie unter der Haut eines Patienten zu speichern, berichtet Elizabeth Cooney für STAT. „Ich hoffe, dass diese wissenschaftliche Arbeit eines Tages einen erheblichen Einfluss darauf haben könnte, dass Patienten in Entwicklungsländern bei Bedarf die richtigen Impfstoffe erhalten“, erklärt Prof. Robert Langer.

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