Biosensor-Verband: Innovative Hilfe bei chronischen Wunden?

Der Einsatz von Biosensoren ist im Gesundheitswesen bereits ein Thema, um effizientere Behandlungen zu ermöglichen. Nun untersuchen Wissenschaftler das Potenzial eines weiteren Bereichs: intelligente Verbände. Schnitt- sowie Schürfwunden, Verbrennungen oder andere Verletzungen mögen als etwas Harmloses erscheinen, womit der Körper selbst zurechtkommt. Dies gilt jedoch nicht für Menschen mit Diabetes oder Patienten, deren Wundheilung ein langsamerer und schwierigerer Prozess ist – denn hier besteht die Gefahr von chronischen Wunden, Infektionen und im schlimmsten Fall sogar Amputationen.

Die Wundversorgung ist ein weltweites Problem, das mehrere Milliarden Dollar verschlingt. Allein in den Vereinigten Staaten sind 6,7 Millionen Menschen oder etwa 2 % der Bevölkerung von Heilungskomplikationen betroffen, was jährliche Kosten von 25 Milliarden US-Dollar verursacht. Bei den derzeitigen Therapien werden u. a. Medikamente, Hauttransplantationen und Unterdruck eingesetzt, die jedoch chirurgische Notfalleingriffe zur Folge haben können – was das Morbiditäts- und Mortalitätsrisiko wiederum erhöht. Darüber hinaus ist es möglich, dass mikrobielle Infektionen an der Wundstelle den Heilungsprozess erheblich verlängern und zu Nekrosen, Sepsis und sogar zum Tod führen.

Ärzte verschreiben immer häufiger topische, also auf der Haut anwendbare, und systemische Antibiotika für Patienten mit chronischen Wunden. Aber Überbeanspruchung, Missbrauch und falsche Anwendung der Arzneimittel führen zu einer zunehmenden Resistenz von Bakterien gegen diese Medikamente, was den Patienten und dem Gesundheitssystem im Allgemeinen weiteren Schaden zufügt.

Um dieses Problem anzugehen, haben Forscher von Caltech eine neue Art von intelligenten Verbänden entwickelt: Sie sollen die Wundversorgung einfacher, effektiver und günstiger machen.

„Es gibt viele Arten von chronischen Wunden – insbesondere diabetische Geschwüre und Verbrennungen, die langsam verheilen und den Patienten große Probleme bereiten. Deshalb besteht Bedarf an einer Technologie, die Genesungsprozesse erleichtert“, erklärt Wei Gao, Assistenzprofessor für Medizintechnik und Forschungsstipendiat am Heritage Medical Research Institute des Caltech.

Die Heilung chronischer Wunden ist ein hochkomplexer biologischer Prozess, der aus vier integrierten und sich überschneidenden Phasen besteht: Hämostase, Entzündung, Proliferation und Umbau. In jeder dieser Abschnitte verändert sich die chemische Zusammensetzung der Wunde erheblich, was auf das Stadium der Heilung hinweist. Gleichzeitig lässt sich darauf schließen, ob eine Infektion vorhanden ist. So wird beispielsweise eine erhöhte Temperatur mit einem bakteriellen Infekt in Verbindung gebracht. Auch können Temperaturveränderungen im Allgemeinen Aufschluss über verschiedene für die Heilung relevante Faktoren geben.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Verbänden, die aus Schichten von absorbierendem Material bestehen, sind intelligente Verbände aus einem flexiblen, elastischen Polymer gefertigt. Darin eingebettet sind sowohl die Elektronik als auch passende Medikamente. Sensoren übernehmen eine Überwachungsfunktion: Sie zeichnen Moleküle wie Harnsäure oder Laktat und Zustände wie den pH-Wert auf oder kontrollieren die Temperatur der Wunde – alles Faktoren, die auf Entzündungen oder bakterielle Infektionen hinweisen können.

Es gibt drei Arten, wie der intelligente Verband auf Probleme reagiert: Zum einen kann er die von der Wunde gesammelten Informationen mit Hilfe von Drahtlostechnologie an einen Computer, ein Tablet oder ein Smartphone in der Nähe übertragen. So ist es dem Patienten oder einer medizinischen Fachkraft möglich, die Ergebnisse weiterzuverfolgen. Zweitens: der Biosensor-Verband unterstützt die Behandlung von Entzündungen oder Infektionen, indem er eigenständig ein Antibiotikum oder ein anderes im Verband gespeichertes Medikament injiziert. Außerdem lässt sich mit der intelligenten Unterstützung ein schwaches elektrisches Feld an der Wunde anlegen, um das Gewebewachstum anzuregen – was zu einer schnelleren Heilung führt.

Im Labor hat sich gezeigt, dass intelligente Verbände genaue Echtzeitinformationen über den Zustand der Wunde und den Stoffwechselzustand liefern. Bei chronisch infizierten Wunden weisen sie eine ähnliche Heilungsrate wie unter normalen Bedingungen auf.

Die Forscher schätzen die Ergebnisse als vielversprechend ein: Deshalb werde sich die künftige Forschung in Zusammenarbeit mit anderen Einrichtungen auf die Verbesserung der Technologie und ihre Erprobung am Menschen konzentrieren. Schließlich unterschieden sich dessen therapeutische Bedürfnisse von denen der Labortiere.

„Wir haben diesen Konzeptnachweis in kleinen Tiermodellen erbracht. In Zukunft möchten wir aber die Stabilität des intelligenten Verbands erhöhen und ihn auch an größeren chronischen Wunden testen, da die Wundparameter und die Mikroumgebung variieren können“, erklärt Gao.

Der Artikel, der die Forschungsarbeit darlegt, wurde in der Ausgabe vom 24. März in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht – mit dem Titel: „A stretchable wireless wearable bioelectronic system for multiplexed monitoring and combination treatment of infected chronic wounds“.