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8 HEALTH & ENVIRONMENT HUBERT BRÜCKL /// Head of Business Unit „Nano Systems“ „Unsere Herausforderung besteht darin, möglichst empfindliche Sensoren zu entwickeln, um Partikel im Nanomaßstab zuverlässig detektieren zu können.“ SEPSISDETEKTIVE IM NANOMASSSTAB Am AIT nutzt man auch die Chancen der Nanowelt, um empfindliche, kleine und kosteneffiziente Sensorsysteme für Früherkennung und Vorsorge zu entwickeln. Die Schwerpunkte liegen dabei auf stark miniaturisierten Gassensoren und biomedizinischen „Nanolabors“, die eine schnelle Diagnose erlauben. „Das kann vor allem bei Sepsis lebensrettend sein“, wie der Nanowissenschaftler Hubert Brückl erläutert. „Bei Verdacht auf Blutvergiftung müssen möglichst rasch die Krankheitserreger im Blut nachgewiesen werden, was derzeit aber bis zu zwei Tage dauern kann.“ In Kooperation mit dem deutschen Unternehmen Magna Diagnostics, dem Fraunhofer Ins - titut und anderen Partnern entwickelt man daher ein kompaktes Gerät für die rasche Sepsisdetektion direkt am Patientenbett, in der Arztpraxis oder im Ambulanzwagen. DIE KRAFT DER ANZIEHUNG Die ExpertInnen bedienen sich dabei magnetischer Nanopartikel, die in winzige Polymerkügelchen eingebettet werden. An der Oberfläche dieser „Magnetbeads“ befestigte Biomarker binden spezifisch an bestimmte DNA-Sequenzen von häufig vorkommenden Krankheitserregern in der Blutprobe und werden mit einer Magnetspule zur Sensoreinheit transportiert. Dort erzeugen die eingebauten Nanopartikel ein magnetisches Signal, aus dem der behandelnde Arzt direkt die Anzahl der angedockten DNA-Sequenzen ablesen kann. „Die große Herausforderung besteht darin“, so Brückl, „möglichst empfindliche und spezifische Sensoren zu entwickeln, um einzelne Partikel im Nanomaßstab rasch und zuverlässig detektieren zu können.“ Derzeit werden die einzelnen Module in einem Prototyp integriert – ab 2013 soll die klinische Evaluierungsphase für den Sepsistest im Scheckkartenformat starten. Die gewonnenen Erkenntnisse bilden darüber hinaus die Basis für die Entwicklung einer ebenfalls auf magnetischerDetektion basierenden Diagnoseplattform für Krebs. ES LIEGT WAS IN DER LUFT … Die Miniaturisierung bietet auch völlig neue Möglichkeiten für die Gassensorik. „Der große Nachteil derzeitiger Sensoren besteht darin, dass sie mit einem durchschnittlichen Durchmesser von einem Quadratzentimeter – zumindest für unsere Begriffe – relativ klobig sind“, so der Nanowissenschaftler. Zusammen mit Industriepartnern wie austriamicrosystems oder Siemens setzen die ForscherInnen am AIT daher auf heterogene Integration, um die Nanotechnologie mit der Mikroelektronik zu „verheiraten“. Das Ergebnis dieser Verbindung sind Sensoren, die zusammen mit der Auswerteelektronik nur mehr einen halben Millimeter groß sind und damit völlig neue mobile Dienste im Bereich Gesundheit und Umweltmedizin ermöglichen. „Denkbar wäre zum Beispiel ein Ozonsensor in der Uhr, der Joggern erhöhte Ozonwerte in der Luft meldet oder per Mobiltelefon laufend Daten für ein flächendeckendes Ozonmapping liefert“, skizziert Brückl mögliche Anwendungen. NANOGASSENSOREN ALS SPÜRHUNDE FÜR KREBS Atemluftdiagnostik ist derzeit ein ganz heißes Thema in der medizinischen Fachwelt. So ist es WissenschaftlerInnen in ersten Studien gelungen, über die Analyse der Atemluft Krebs zu detektieren und auch zwischen verschiedenen Krebsarten zu unterscheiden. Die Basis dafür ist der Nachweis verschiedener flüchtiger organischer Verbindungen, die derzeit noch über Massenspektrometrie in Speziallabors erfolgt. Gerade bei der Atemluftdiagnostik könnten die Nanosensoren ihre Vorzüge voll ausspielen. „Aufgrund ihrer großen Oberfläche sind sie hochempfindlich und können gezielt mit Molekülen bestückt werden, die spezifisch auf ganz bestimmte organische Komponenten reagieren“, ist Brückl überzeugt, dass die smarten Sensorlösungen aus der Nanowelt eine zentrale Rolle in der Medizin der Zukunft übernehmen werden. /// Weitere Infos: Health & Environment Department, Susanne Kiefer, Tel.: +43 505 50-4406, E-Mail: susanne.kiefer@ait.ac.at, Web: www.ait.ac.at/health_environment FOTOS: Krischanz & Zeiller, AIT Austrian Institute of Technology, Siemens press picture
RESEARCH SERVICES Risikofrüherkennung kardiovaskulärer Erkrankungen Die Früherkennung von Herz-Kreislauferkrankungen erfordert die Kombination von intelligenter Sensorik und ausgereiften biomathematischen Modellen zur Verarbeitung von Biosignalen. Dieser erweiterte Ansatz in der Messmethodik erlaubt die Entwicklung innovativer diagnostischer Lösungen, die den Partnern von AIT entscheidende Vorteile im globalen Wettbewerb sichern. n Identifikation und Erforschung neuer kardiovaskulärer Risikoparameter n Entwicklung von Sensor-Aktor-Systemen zur Erfassung von Biosignalen n Entwicklung biomathematischer Modelle zur Analyse von Biosignalen n Neue diagnostische Verfahren und zertifizierte Hardwarelösungen für die klinische Forschung und die extramurale medizinische Versorgung AAL-Technologien Die demografische Entwicklung führt zu einem steigenden Bedarf an Assistenzsystemen, die ein sicheres und selbständiges Altern in den eigenen vier Wänden ermöglichen. Die am AIT entwickelten smarten Lösungen dienen der Erhöhung des Komforts und der Sicherheit der BewohnerInnen sowie der Unterstützung von medizinischer Prävention, Diagnose und Therapie. Die Tätigkeiten konzentrieren sich dabei auf drei Schwerpunkte: n Verhaltensmustererkennung: Entwicklung selbstlernender Algorithmen und Modelle zur Erfassung und Analyse von Aktivitätsmustern im Alltag auf Basis von in die Wohnumgebung integrierter Sensorik n Middleware: Design standardisierter Middleware- Plattformen zur Integration verschiedenster Sensoren, Komponenten und Services sowie aktive Mitgestaltung von internationalen AAL-Standards n User-Interfaces: Entwicklung innovativer und intuitiver Ansätze im Bereich der Benutzerinteraktion Nanosensorsysteme für medizinische Diagnostik und Therapie Die heterogene Integration von Nano-(Bio-)Technologie und Mikroelektronik bildet die Grundlage für Verbesserungen in der medizinischen Diagnostik. Ziel ist die Entwicklung von Sensoren mit höherer Empfindlichkeit und Spezifität sowie eine weitere Miniaturisierung, um tragbare und kostengünstige Geräte realisieren zu können. Am AIT stehen dafür eine hochwertige chemische und elektronische Laborinfrastruktur im „Centre of Thin Film Technology“ (CTFT) zur Verfügung. Die Schwerpunkte liegen auf magnetischen Diagnostiksys - temen und Gassensorik. n Sensorentwicklung: Herstellung und Optimierung von Demonstratoren, begleitet von computergestützter Simulation n Systemintegration: Sensorik in Kombination mit funktionalen Schichten, Oberflächenstrukturierung, kundenspezifischer Mikro- und Nanofluidik und Einbettung in Auslese- und Auswerteeinheiten n Test und Validierung: Testen der Demonstratoren für spezifische biomedizinische Anwendungen intern oder extern in Zusammenarbeit mit Partnern, z. B. in Kliniken /// HEALTH & ENVIRONMENT 9 PROF. MAXIMILIAN FLEISCHER, BEI DER SIE- MENS AG FÜR FORSCHUNG VERANTWORTLICH, ÜBER EINSATZGEBIETE VON SEN- SOREN IM GESUNDHEITS- WESEN. Herr Professor Fleischer, wie wird sich Ihrer Einschätzung nach das Gesundheitssystem der Zukunft gestalten, und welchen Beitrag kann intelligente Sensorik leisten? Das Gesundheitssystem der Zukunft wird große Aufgaben bewältigen müssen. Im Zuge des Megatrends des demografischen Wandels wird sich z. B. der Anteil der Personen über 65 Jahre bis 2030 weltweit verdoppeln und die Lebenserwartung nimmt deutlich zu. Um diesen Aufgaben kosteneffizient gerecht zu werden, müssen wir viel mehr Wert auf kontinuierliches Gesundheitsmonitoring und frühzeitige Erkennung von sich anbahnenden Krankheiten legen. Hier werden die Möglichkeiten neuartiger Sensoren eine entscheidende Rolle spielen: sowohl als täglicher Begleiter der Menschen wie auch beim Besuch der Arztpraxis. Das AIT entwickelt in Zusammenarbeit mit Siemens heterogene Sensoren, die Mikroelektronik und Nanotechnologie vereinen. Welche Rolle wird diesen Entwicklungen Ihrer Ansicht nach in den nächsten Jahren auf dem internationalen Markt zukommen? Eine große. Durch die Integration der Signalverarbeitung der Mikroelektronik und der Detektionsfähigkeit der Nanotechnologie wird eine neue Dimension hinsichtlich Leistungsfähigkeit und Kompaktheit der Sensoren erschlossen. Sowohl durch ihre Kostengünstigkeit in der Fertigung wie auch durch ihre vielfältigen Einsatzmöglichkeiten aufgrund der miniaturisierten Bauform werden sich diese Sensoren auf dem Weltmarkt durchsetzen. Nanosensoren gelten in der Atemluftdiagnostik aufgrund ihrer Schnelligkeit und Empfindlichkeit als vielversprechende Alternative zur Massenspektrometrie. Für welche Bereiche in der Medizin ist die Weiterentwicklung dieser Technologie besonders relevant? Bekanntermaßen gibt ja die Zusammensetzung der Atemluft vielfältige Auskunft über den Gesundheitszustand des Menschen. Und dieses Potenzial werden wir zunehmend zu einer nicht-invasiven Überwachung der Gesundheit nutzen müssen. Dazu benötigen wir kostengünstige und gleichwohl sehr leistungsfähige Sensoren in Nanotechnologie. Diese können dann in der Arztpraxis eingesetzt werden, um z. B. eine Möglichkeit der verbesserten Früherkennung und Diagnose von Krankheiten zu realisieren. Hier wird z. B. die frühzeitige Diagnose von Lungenkrebs, die Erkennung einer Lungenentzündung, einer Nebenhöhlenentzündung oder gar von TBC wie auch die rechtzeitige Erkennung einer Palette von Stoffwechselstörungen diskutiert. Wenn mit diesen Nanosensoren kostengünstige Geräte entwickelt werden, die kranke Patienten mit nach Hause nehmen können, ist eine signifikante Optimierung der Therapie von z. B. Asthma möglich. Derartige Sensoren werden in Zukunft aber auch den gesunden Menschen helfen, indem man z. B. durch Atemgasmessung erkennt, ob jemand im gewünschten Bereich der Fettverbrennung trainiert, oder ob er sich übernimmt. /// SAFETY & SECURITY ➜
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