Innovative Sensorevaluierung mittels Hautmodellen für die Hydratations- und Glukosemessung

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Gemeinsam mit mehr als 15 Partnern wurde das Projekt „Next Generation of Body Monitoring“ (kurz: NexGen) im Jahr 2016 gestartet. Es beschäftigt sich nicht nur mit innovativen technischen Möglichkeiten, um der täglichen nicht bzw. minimal-invasiven Messung des Blutzuckers bei Diabetikern Abhilfe zu schaffen, sondern setzt sich in diesem Rahmen auch mit neuartigen Lösungen zur Überwachung von Vitalparametern und resultierend der Hydratation auseinander. Gemeinsam mit Partnern aus der Chipentwicklung und der Medizin forscht senetics an der Umsetzung von RF-Sensoren als Implantat und deren Anwendung an und im menschlichen Gewebe. Gerade für solche Sensoren ist die Evaluierung nicht trivial. Im Projekt hat senetics wertvolle Erkenntnisse im Bereich der Benutzeroberflächen und Systemarchitekturen neuartiger mobiler Sensorsysteme erlangt und neue Forschungsergebnisse zur innovativen Validierung moderner Sensoren erarbeiten können. Das Vorhaben wurde gefördert vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und dem EUREKA-Programm CATRENE.

Jedes Produkt muss in der präklinischen Phase auf mögliche schädigende Wirkungen getestet werden. Zell- und Gewebekulturen, isolierte Organe oder Reagenzglastests liefern hierfür erste Antworten, das komplexe Zusammenspiel aller Organe des Körpers wird hierbei jedoch nicht berücksichtigt. Außerdem kann meist nur ein isolierter Aspekt betrachtet und nur einzelne relevante Daten ausgelesen werden. Mit Hilfe von Tiermodellen kann die Funktionsweise analysiert werden. Tierversuche sind heutzutage allerdings ethisch stark umstritten sowie kosten- und zeitintensiv. Zudem ist die Übertragung der Ergebnisse von Mäusen, Ratten Kaninchen und Co. oftmals fragwürdig. Daher hat sich das ethische Prinzip der „3R“ etabliert, was das Vermeiden (Replace), Verringern (Reduce) und Verbessern (Refine) von Tierversuchen im Rahmen der Forschung und Entwicklung fordert.

Phantomflüssigkeiten zur Messung verschiedener Glukosekonzentrationen

Um die Sensitivität des Sensors zu überprüfen wird dieser anhand von Phantomflüssigkeiten, die den realen Blutzuckerstand simulieren sollen, validiert. Hierbei werden verschiedene Glukosekonzentrationen in einer spezifischen Flüssigkeit angesetzt. Zur Abdeckung des gesamten Messbereichs werden sehr niedrige bis sehr hohe Konzentrationen verwendet. Dabei müssen sowohl die obere als auch die untere Nachweisgrenze sich innerhalb des realen Zustands befinden. Die technische Herausforderung hierbei ist das Lösen des Zuckers in der Phantomflüssigkeit, die sich sowohl aus organischen als auch anorganischen Lösungsmitteln zusammensetzt. Nach der Ermittlung des optimalen Verhältnisses der Lösungsmittel zueinander kann man den optimalen Messbereich ermitteln. Anhand dieser Simulationsflüssigkeit kann der Messberiech des Sensors erfolgreich evaluiert werden.

Hautmodelle zur technischen Evaluierung

Die Idee der Entwicklung unterschiedlichster Hautmodelle basiert ursprünglich vor allem auf der Reduzierung von Versuchen mit Tier und Mensch. Da bei diesen Testungen zum Teil auch humane Zellen verwendet werden, ist die Übertragbarkeit der erhaltenen Ergebnisse im Vergleich zu Tierversuch an anderen Spezies wie Nagetieren für die Anwendung sichergestellt. So können darauf zurückzuführende Risiken auf ein Minimum reduziert werden und somit die Gesundheit und Unversehrtheit des Patienten oder Anwenders optimal geschützt werden. Gerade bei neuartigen Produktentwicklungen im Bereich nicht-invasiver Sensorik zum Vitalparameter-Monitoring ist die Datenlage aus bereits zugelassenen Medizinprodukten mit vergleichbaren Technologien häufig nur eingeschränkt gegeben.

senetics hat im Rahmen des NexGen-Projekts verschiedene Ansätze zur Modellierung von menschlichem Gewebe für die projektrelevanten Anwendungen etabliert und untersucht.

In-silico Modellierung:

A) Graphische Benutzeroberfläche des Skin Tissue Simulators. Die Simulation basiert auf experimentell ermittelten Materialparametern. [1-3] Je nach Eingabeparameter wird der Eingangsreflexionsfaktor S11, bestehend aus Reflexions-frequenz und Reflexionsdämpfung, des Modells berechnet. B) Auftragung der Permittivität über der prozentualen Reflexionsfrequenz

Aus dem Reflexionsverhalten des modellierten Modells können Rückschlüsse auf den Wassergehalt des Gewebes gezogen werden. Je nach Wassergehalt des Gewebes ändert sich die prozentuale Reflexionsfrequenz. Je weniger Wasser ein Gewebe besitzt, desto höher ist die prozentuale Reflexionsfrequenz. Weiterhin kann die Erwärmung menschlichen Gewebes durch Simulation der elektrischen Feldstärke – beispielsweise bei einer Anregungsfrequenz von 3 GHz – ermittelt werden.

Ex-vivo Modellierung:

Um die Funktionsweise von Sensoren zu überprüfen, können als Alternative zu humanen Modellen auch ex-vivo Tiermodelle herangezogen werden. Ein Beispiel hierfür ist Schweinehaut, deren Verwendung in den unterschiedlichsten Einsatzgebieten schon lange als etabliert gilt. Sie weist im physiologischen Aufbau, der Permeabilität elektromagnetischer Wellen und den grundlegenden stoffwechselphysiologischen Vorgängen deutliche Parallelen zum menschlichen Gewebe auf. Auch mechanisch gesehen ist die Schweinehaut der menschlichen Haut sehr ähnlich und wird deshalb bereits in vielen medizinischen Gebieten als Struktur- und Funktionsmodell anstatt von menschlicher Haut verwendet.

A) Unbehandelte ex-vivo Modelle, B) Dehydratationsmodelle nach der 21-stündigen Inkubation in niedrig konzentrierter Salzlösung (Links), destilliertes Wasser (Mitte) und stark konzentrierter Salzlösung (Rechts)

Zur Überprüfung der Funktionsweise eines Dehydratationssensors müssen Dehydratationsmodelle zur Verfügung stehen. Dehydratation kann von psychischen und physischen Leistungsminderungen bis zu schweren Organschäden führen. Daher kann ein solcher definierter Zustand beim Menschen nur innerhalb von überwachten Studien hervorgerufen werden. Um solche Studien im ersten Schritt zu vermeiden, wurden im Rahmen des Projekts NexGen ex-vivo Modelle etabliert, welche eine gezielte Dehydratation zeigen und resultierend daraus eine Überprüfung der Funktionalität der Sensoren nachweisen können.

 

Technische Modellierung:

senetics hat im Rahmen des Forschungsprojekts NexGen technische Hautmodelle entworfen, welche die elektromagnetischen Eigenschaften von menschlicher Haut nachbilden. Diese Modelle können zur Prüfung der Funktionalität des innovativen Hochfrequenz-Sensors und resultierend zur Bestimmung des Wassergehalts der Haut verwendet werden. Weitere Anwendungsszenarien wie beispielsweise zur Testung der Wirksamkeit von Injektoren können hierfür in Betracht gezogen werden.

Die technischen Hautmodelle bestehen aus Ersatzmaterialien wie Silikon, Latex oder Gelatine. Als oberste Schicht fungiert die Epidermis zusammen mit der Dermis und simuliert einen Teil des extrazellulären Gewebes. Darauf folgt die Subkutis. In dieser Schicht können Blutgefäßimitate eingebettet werden, welche größere Venen und Arterien darstellen. Dadurch können die natürlichen Gegebenheiten im menschlichen Körper nachgebildet werden. Die unterste und stärkste Schicht stellt die Muskelschicht dar und gewährleistet eine bestimmte Höhe des Modells.

Verschiedene Gewebemodelle als Ersatz zu menschlicher Haut für die effiziente Validierung neuer Produkte (A: 3D-Hautmodelle gezüchtet aus humanen Zellen (in-vitro Modelle), B: Schweinehaut (ex-vivo Modelle), C: technische Modelle)

 

Grundlegend können alle Modelle sowohl für die Validierung verschiedener Sensoren, als auch zur Beantwortung anderer Fragestellungen, wie beispielsweise für Tape Stripping Tests oder zur Testung neuer Kanülen, verwendet werden. senetics bietet die Möglichkeit, im Rahmen der Forschung und Entwicklung von Produkten, nach dem ethischen Prinzip der „3R“ – Vermeiden (Replace), Verringern (Reduce) und Verbessern (Refine) – Hautmodelle für unterschiedlichste Anwendungsgebiete zu etablieren.

 

 

In-vitro Modellierung

In-vitro 3D Hautmodelle werden bereits in vielfältigen Fachgebieten der Forschung und Entwicklung eingesetzt und finden immer häufiger Verwendung in der Testung der biologischen Sicherheit von Medizinprodukten. senetics entwickelt solche Modelle anhand der Isolierung humaner epidermaler und dermaler Zellen aus humanen Hautbiopsien. Anhand der Immortalisierung dieser ist eine Dauerkultur bei gleichbleibender Charakterisierung möglich. Auf diese Weise können 3D Hautmodelle unter dem Einsatz einer geeigneten Matrix aus Kollagen gezüchtet werden.

Kultivierung humaner in-vitro 3D Hautmodelle

Aus physiologischer Sicht bilden sich hierbei die gleichen Hautschichten, die auch in Gewebebiospien humaner Haut zu finden sind. Diese Modelle ähneln demnach dem menschlichen Organismus sehr und können im Vergleich zu Tierversuchen vergleichbare Testergebnisse erzeugen. Auf Basis dieser Tatsache können in-vitro 3D Hautmodelle herangezogen werden, um die Funktionsfähigkeit von Sensoren zu überprüfen. senetics plant hierfür humane Zellen auf Sensoren auszusäen und zu kultivieren. Daraus entwickelt sich die Möglichkeit ein in-vitro 3D Hautmodell direkt auf dem Sensor zu züchten und den Empfang von Daten durch das Modell hindurch zu modellieren.