Wie neuartige Sensoren Körperflüssigkeiten analysieren

Mit der Smartwatch den Puls messen, mit einer Smartphone-App den Blutdruck ¨¹berwachen: Schon jetzt messen tragbare Sensoren ziemlich zuverl?ssig einige Vitalfunktionen des K?rpers und k?nnen zum Teil auch bereits in der klinischen Diagnostik angewendet werden. F¨¹r Diagnosen, die auf biochemischen Daten beruhen, sind aber nach wie vor unter anderem Blut- oder Urinproben n?tig, die im Labor analysiert werden m¨¹ssen. Das ist schmerzhaft, aufw?ndig, zeitintensiv und oft kostspielig.

Doch die n?chste Generation von tragbaren Sensoren soll auch biochemische Analysen liefern. In Zukunft sollen K?rperfl¨¹ssigkeiten wie Schweiss, Atem, Speichel, Tr?nenfl¨¹ssigkeit oder Urin wertvolle Hinweise auf den Gesundheitszustand der Tr?ger:innen solcher Sensoren liefern. Vieles davon ist zwar noch nicht marktreif, aber durchaus machbar. Dr. med. No¨¦ Brasier, Early-Career Fellow am Collegium Helveticum und ETH-Professor J?rg Goldhahn haben deshalb zusammen mit f¨¹hrenden Forschenden auf dem Gebiet der tragbaren Sensoren eine umfassende Bestandesaufnahme vorgenommen. Die ?bersichtsarbeit wurde soeben in der Fachzeitschrift Nature ver?ffentlicht.

Vom S?ugling bis zur Seniorin

Die Vorteile von tragbaren Sensoren liegen auf der Hand. So erlauben sie eine kontinuierliche Kontrolle von Werten, ohne dass die Patienten und Patientinnen daf¨¹r eine Arztpraxis oder eine Apotheke aufsuchen m¨¹ssen. ?F¨¹r ?ltere Menschen, die unter Hitzestress leiden, w?re es eine grosse Erleichterung, wenn sie durch ein tragbares Ger?t rechtzeitig daran erinnert werden, gen¨¹gend zu trinken oder wenn ein Sensor Alarm schl?gt, wenn ihre Elektrolytwerte kritisch werden?, erkl?rt No¨¦ Brasier, selbst Mediziner und Erstautor der Arbeit.

Zudem sind solche Sensoren nicht- oder nur minimal-invasiv. Brasier gibt ein Beispiel: ?S?uglingen und Kleinkindern Blut abzunehmen oder gar einen Katheter zu legen, ist nicht immer erfolgreich. Es kann zu relevanten Verz?gerungen kommen und stresst oft die kleinen Patient:innen und ihre Eltern. Ein Sensor auf der Haut oder in den Windeln, der die Labor- und/oder Urinanalyse ¨¹bernimmt, w?re viel einfacher und bequemer?. Auch die Atemmaske, die gleichzeitig Viren wie SARS-CoV-2 und ohne unangenehmen Nasenabstrich nachweisen k?nnte, w?re bei der letzten Pandemie willkommen gewesen.             

Vieles ist m?glich ¨C aber ist es auch sinnvoll?

Die Kreativit?t der Forschenden und die Vielfalt der m?glichen Messger?te ist beeindruckend ¨C sei es der Schnuller, der misst, ob Kleinkinder dehydriert sind, T?towierungen, die den Zuckerspiegel anzeigen oder Kontaktlinsen, die Daten aus der Tr?nenfl¨¹ssigkeit liefern. ?Als wir vor einem Jahr mit Ingenieur:innen, Mediziner:innen und Kolleg:innen aus anderen Fachgebieten die M?glichkeiten besprachen, haben wir realisiert, dass wir dar¨¹ber nachdenken m¨¹ssen, was sinnvoll ist und welche Punkte es bei der Entwicklung solcher Ger?te besonders zu ber¨¹cksichtigen gilt?, sagt J?rg Goldhahn, der Letztautor der Arbeit.

Der zentrale Punkt liegt auf der Hand: Patienten und Patientinnen m¨¹ssen die sogenannten Wearables auch tragen wollen. ?Wir empfehlen deshalb, die Sensoren immer zusammen mit den Menschen zu entwickeln, die sie sp?ter brauchen sollen?, so Brasier. Aber auch den medizinischen Nutzen solcher Ger?te gilt es zu hinterfragen. Nicht alles, was gemessen werden kann, hat einen klinischen Mehrwert. ?Es geht ja nicht darum, irgendeinen Wert zu messen. Es geht um die Frage, was dieser im entsprechenden Kontext bedeutet und was die klinische Konsequenz ist?, erkl?rt der Mediziner.

So ist CRP ein Marker f¨¹r Entz¨¹ndungen im K?rper und wird in Milligramm pro Liter gemessen. Bei gesunden Erwachsenen liegt der CRP-Spiegel normalerweise physiologisch bei unter 5 mg/l. ?Wenn ein Patient einen CRP-Spiegel von 150 mg/l im Blut hat, so sagt das nur bedingt viel aus. Entscheidend f¨¹r die klinische Einsch?tzung ist, ob der Wert am Vortag normal war oder bei 300 mg/l lag. Je nachdem hat sich der Gesundheitszustand verschlechtert oder verbessert.?

Das Gemessene auch gut darstellen

Hinzukommen kommen die technischen H¨¹rden: Wie lange kann ein Sensor messen? Wie kann er gelagert und gereinigt werden? Wie viel Strom aus welcher Quelle verbraucht er und vor allem: wie gut und zuverl?ssig sind die Daten, die er liefert? ?Die sorgf?ltige Validierung der Messdaten wird entscheidend daf¨¹r sein, ob sich ein Ger?t durchsetzt oder nicht?, sagt  J?rg Goldhahn ?denn niemand verl?sst sich auf unsichere Messwerte.?

In einem weiteren Schritt m¨¹ssen die Signale der Wearables verarbeitet, interpretiert und f¨¹r die Nutzer:innen ¨C seien dies die Patient:innen selber oder medizinisches Fachpersonal ¨C verst?ndlich dargestellt werden. Dazu wird in Zukunft vermehrt k¨¹nstliche Intelligenz eingesetzt werden, was die Entwicklung von Wearables weiter beschleunigen wird.

Vom Schweiss fasziniert

Erstautor No¨¦ Brasier ist ¨¹ber das Thema Schweiss auf die Wearables gestossen. W?hrend viele beim Gedanken an diese K?rperfl¨¹ssigkeit die Nase r¨¹mpfen, kommt Brasier ins Schw?rmen: ?Wir schwitzen in verschiedenen Situationen und an unterschiedlichen K?rperstellen immer wieder anders. Unser Schweiss enth?lt nicht nur deshalb unglaublich viele Informationen.? Diese k?nnen einfach und unkompliziert genutzt werden, um auf den Gesundheitszustand von Menschen zu schliessen. ?Die Hautoberfl?che ist mein klarer Favorit, aber die Wahl des Sensors h?ngt nat¨¹rlich von der medizinischen Anwendung ab. Bei einer Lungenentz¨¹ndung analysiert man aber wahrscheinlich besser den Atem?, betont der Mediziner. Doch nicht zuletzt wegen der neuen ?bersichtsarbeit ist er sich durchaus bewusst, dass es noch einiges an Forschung und Entwicklung ben?tigt¨C vor allem auch, was die klinischen Konzepte anbelangt. Nur so werden die neuen Wearables schliesslich von den Beh?rden zugelassen und haben auch einen Mehrwert f¨¹r alle Beteiligten insbesondere f¨¹r die Patient:innen.