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1-2018

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Fachzeitschrift für Medizintechnik-Produktion, Entwicklung, Distribution und Qualitätsmanagement

Aus Forschung und

Aus Forschung und Technik Sichtbare Signale aus Hirn und Herz Neuer Sensor misst Kalziumkonzentration tief in lebendem Gewebe Kalziumwellen – ein neuer Sensor verwandelt Licht in Schall, um Kalziumflüsse im Körper sichtbar zu machen. (Bild: B. van Rossum, G. Westmeyer / TUM) Über die Menge an Kalzium in und um Zellen werden wichtige Prozesse im Körper gesteuert. Ein Team der Technischen Universität München (TUM) und des Helmholtz Zentrums München entwickelte jetzt das erste Sensor molekül, dass Kalzium mit der strahlungsfreien Bildgebungsmethode Optoakustik in lebenden Tieren sichtbar machen kann. Zellen müssen hierfür nicht genetisch verändert werden und es entsteht keine Strahlenbelastung. Kalzium ist ein wichtiger Botenstoff in unserem Körper. In Nervenzellen entscheiden Kalziumionen zum Beispiel darüber, ob Signale an andere Nervenzellen weitergegeben werden oder nicht. Ob ein Muskel angespannt oder entspannt ist, hängt ebenfalls von der Menge an Kalzium in den Muskelzellen ab. Das gilt auch für unseren wichtigsten Muskel – dem Herz. „Weil Kalzium für essentielle Organe wie Herz und Gehirn eine so entscheidende Rolle spielt, würde man gerne ‚live‘ und tief im Gewebe beobachten können, wie sich Kalziumkonzentrationen verändern – auch um fehlgesteuerte Prozesse bei Krankheiten besser zu verstehen. Unser neues Sensormolekül ist ein kleiner erster Schritt in diese Richtung.“, sagt Prof. Gil Gregor Westmeyer, Leiter der Studie und Professor für Molekulare Bildgebung an der TUM, sowie Forschungsgruppenleiter am Helmholtz Zentrum München. An den Arbeiten, die im „Journal of the American Chemical Society“ veröffentlicht wurden, war auch Prof. Thorsten Bach von der TUM Fakultät für Chemie beteiligt. Die Forscher konnten ihr Molekül bereits in Herzgewebe und Gehirnen von lebenden Zebrafischlarven erfolgreich testen. Kalzium-Messung auch in tieferen Gewebeschichten möglich Um den Sensor auch in lebenden Tieren und später vielleicht auch im Menschen nutzbar zu machen, ist er mit einem recht neuen, nicht-invasivem bildgebenden Verfahren messbar: der Optoakustik. Diese Bildgebungsmethode beruht auf der für den Menschen ungefährlichen Ultraschalltechnik und kommt ohne radioaktive Strahlung aus. Dabei erwärmen Laserimpulse die absorbierenden Sensormoleküle im Gewebe und dehnen sie kurzzeitig aus, so dass in der Folge Ultraschallsignale erzeugt werden. Diese erfassen die Wissenschaftler dann mit entsprechenden Detektoren und ‚übersetzen‘ sie in dreidimensionale Bilder. Wenn Licht durch Gewebe strahlt, wird es gestreut. Deshalb werden bei Lichtmikroskopen Bilder schon in weniger als einem Millimeter Tiefe unscharf. Hier liegt der weitere Vorteil der Optoakustik: Ultraschall wird kaum abgelenkt und liefert noch scharfe Bilder in mehreren Zentimetern Tiefe. Gerade für das Gehirn ist das interessant, da bisherige Verfahren nur wenige Millimeter unter die Hirnoberfläche gelangen. Das Gehirn hat aber eine so komplexe dreidimensionale Struktur mit unterschiedlichsten Funktionsbereichen, dass die Oberfläche nur einen kleinen Teil ausmacht. Das Ziel der Forscher ist es deshalb, mit dem neuen Sensor tief im Gewebe Kalziumveränderungen zu messen. Erst Ergebnisse bekamen sie bereits aus den Gehirnen von Zebrafischlarven. Ungiftig und strahlungsfrei Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben das Sensormolekül zudem so entworfen, dass es von lebenden Zellen einfach aufgenommen werden kann. Er ist darüber hinaus nicht schädlich für das Gewebe und arbeitet mit einem Farbumschlag. Wenn der Sensor an Kalzium bindet, ändert sich seine Farbe, was wiederum das Licht-induzierte Optoakustiksignal verändert. Bei vielen bisherigen bildgebenden Verfahren, mit denen sich Kalziumveränderungen sichtbar machen lassen, müssen Zellen genetisch verändert werden. Sie erhalten dann zum Beispiel die Fähigkeit zu leuchten, wenn sich die Menge an Kalzium in der Zelle ändert. Das Problem hierbei ist, dass ein solcher genetischer Eingriff beim Menschen nicht möglich ist. Mit dem neuen Sensor ließe sich diese Limitierung umgehen, sagen die Wissenschaftler. In Zukunft sollen die Eigenschaften des Moleküls aber noch weiter verfeinert werden, so dass die Sensorsignale in noch tieferen Gewebeschichten gemessen werden können. Hierzu muss das Team um Gil Gregor Westmeyer noch weitere Varianten des Moleküls generieren, die im langwelligeren, für Menschen nicht mehr sichtbaren, Bereich des Lichts absorbieren. Originalpublikation Roberts S., Seeger M., Jiang Y., Mishra A., Sigmund F., Stelzl A., Lauri A., Symvoulidis P., Rolbieski H., Preller M., Deán-Ben X. L., Razansky D., Orschmann T., Desbordes S., Vetschera P., Bach T., Ntziachristos V., Westmeyer G.G., Calcium Sensor for Photoacoustic Imaging, Journal of the American Chemical Society (JACS), Oktober 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b03064 Kontakt Prof. Dr. Gil Gregor Westmeyer Technische Universität München Professor für Molekulare Bildgebung gil.westmeyer@tum.de Technische Universität München www.tum.de 14 meditronic-journal 1/2018

Ein intelligentes Fieberthermometer für Microchips Aus Forschung und Technik Technologische Fortschritte in der Elektronikindustrie, wie größere Geschwindigkeiten, geringere Kosten, aber auch kleinere Baugrößen eröffnen heute ganz neue Möglichkeiten der Automatisierung und industriellen Fertigung ohne die eine „Industrie 4.0“ nicht vorstellbar wäre. Gerade die Miniaturisierung ist in den letzten Jahren so stark vorangeschritten, dass inzwischen der physische Fluss von wenigen Elektronen genügt um eine Software auszuführen. Doch dieser Fortschritt hat auch eine Schattenseite: Prozessoren für die industrielle Fertigung in der Größenordnung von weniger als 10 Nanometer sind so empfindlich, dass Hacker durch eine gezielte Überlastung mittels falscher Steuerbefehle einen künstlichen Alterungsprozess auslösen könnten, der diese innerhalb von wenigen Tagen zerstört. Um solche Attacken auf Industrieanlagen zukünftig abwehren zu können, arbeitet eine Forschungsgruppe am KIT nun an einem intelligenten Selbstüberwachungssystem. Grundlage des neuen Ansatzes ist die Identifikation von thermischen Mustern im Normalbetrieb von Prozessoren. Jeder Chip erzeugt einen spezifischen thermischen Fingerabdruck“, erläutert Professor Jörg Henkel, der die Forschungsgruppe am Chair for Embedded Systems (CES) leitet: „Berechnungen werden durchgeführt, etwas wird im Arbeitsspeicher abgelegt oder von der Festplatte abgerufen. Alle diese Operationen führen in unterschiedlichen Bereichen des Prozessors zu einer kurzzeitigen Erwärmung und Abkühlung.“ Seine Forschungsgruppe beobachtete nun dieses Muster mit sensiblen Infrarotkameras und konnte Veränderungen in der Steuerroutine auf Grundlage von minimalen Temperaturschwankungen oder zeitliche Abweichungen im Bereich von Millisekunden nachvollziehen. Der Versuchsaufbau mit Infrarotkameras diente dabei dem Nachweis der Machbarkeit einer solchen Thermoüberwachung. Zukünftig sollen Sensoren auf dem Chip die Funktion der Kameras übernehmen. „Schon heute gibt es Temperatursensoren auf den Chips. Sie dienen dort als Überhitzungsschutz“, sagt Jörg Henkel: „Wir werden die Zahl der Sensoren vergrößern und sie erstmals zu Zwecken der Cyber-Security einsetzen.“ Außerdem wollen die Wissenschaftler Chips mit neuronalen Netzen ausstatten, die thermische Abweichungen selbständig identifizieren und so die Überwachung des Chips in Echtzeit übernehmen sollen. KIT - Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft www.kit.edu Diese Fachartikel aus 2017 sollten Sie auch gelesen haben: Dauerhafte Integration Mikroporöse Implantatoberflächen für Wirkstoffreisetzung und verbesserte Gewebeintegration Metallische Implantate spielen in der Medizin eine entscheidende Rolle. Wichtig dabei ist die dauerhafte Integration in das körpereigene Gewebe, die maßgeblich von der Implantatoberfläche abhängt. Wird die Oberfläche dabei mit Medikamenten versehen, kann sie noch zusätzliche vorteilhafte Eigenschaften aufweisen, z.B. Antibiotika, um Infektionen zu verhindern oder Medikamente, die bei Stents den Wiederverschluss der Gefäße unterdrücken. Zur Realisierung einer reizfreien Oberfläche Ätzt das NMI Poren in das Material, die mit dem Wirkstoff befüllt werden können. NMI im meditronic-journal 1-2017, Seite 14 Hand aufs Herz - Herzklappenmodelle aus dem 3D-Drucker zum Anfassen 3D-Druck ist seit Jahren keine Science-Fiction mehr, sondern wird zunehmend handfester Bestandteil verschiedener Bereiche unseres Alltags. Herzchirurgen beispielsweise sollen sich zukünftig nicht mehr nur anhand von 2D- und 3D-Bildern auf anstehende Operationen vorbereiten. Im 3D-Drucker hergestellte Ultraschallbasierte Herzklappenmodelle des jeweiligen Patienten sollen dem Herzchirurgen helfen, die Anatomie und Pathologie eines Patienten besser zu „begreifen“. Tomtec Imaging im meditronic-journal 2-2017, Seite 6 Implantierbare Intelligenz: Wie gut ist klug? Was heißt das eigentlich - „Intelligente“ Implantate? Wie weit sind Forschung und Entwicklung wirklich? Und was sind Herausforderungen bei der Entwicklung Intelligenter Implantate? Es geht um Implantate, die Aktorik, Sensorik und Signalverarbeitung in sich vereinen. Und auch wenn es der Begriff anders vermuten lässt, sind sie kein besonders neues Gebiet der Medizintechnik. Der klassische Herzschrittmacher ist so etwas wie der Urvater aller Intelligenten Implantate. Neue Herstellungsverfahren, moderne Verbundmaterialien und vor allem die Digitalisierung befeuern den Bereich in den letzten Jahren aber zunehmend. So sind mittlerweile eine ganze Reihe Intelligenter Implantate im Einsatz. Med Tech Pharma im meditronic-journal 2-2017, Seite 8 Der Operationssaal OP 4.0 Im Gesundheitswesen findet seit geraumer Zeit ein Paradigmenwechsel statt - weg von Insellösungen hin zu standardisierten, offen vernetzten Lösungen. So sind Integration und Vernetzung im Bereich der medizinischen IT und dem Operationssaal bereits seit Jahren ein großes Thema. Stand heute sind nur herstellerspezifische, proprietäre Integrationslösungen verfügbar. Das BMBF- Leuchtturmprojekt OR.NET hat die wissenschaftlichen und technischen Grundlagen für eine herstellerunabhängige Interoperabilität von vernetzten Medizingeräten gelegt. Frank Berger, Armin Janß,…RTHW Aachen im meditronic-journal 4-2017, Seite 20 Online: https://www.beam-verlag.de/fachzeitschriften/meditronic-journal/zeitschriftenarchiv-2017/

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