Intelligente Implantate als neue Wege zur personalisierten Medizin
Seit der ersten Generation implantierbarer Medizinprodukte wie beispielsweise Herzschrittmacher und orthopädische Prothesen (1) basierten anschließende Innovationsprozesse hauptsächlich auf verbesserten Operationstechniken und neuartigen Materialien, wie Implantatstahle, die längere Zeit im Körper verbleiben konnten (2). Der aktuelle, speziell durch digitale Technologien getriebenen Innovationsschub ermöglicht Implantaten den zusätzlichen Besitz einer eigenen Intelligenz. Welche Vorteile sind durch den Einsatz solcher intelligenten Implantate für Leistungserbringer auszumachen und welche Hürden gilt es gleichzeitig in diesem Kontext zu überwinden?
Was „können“ intelligente Implantate?
„Smart Implants“ haben neben dem therapeutischen Nutzen herkömmlicher Implantate auch diagnostische Fähigkeiten (3). Sie werden als „hochkomplexe Systeme aus Sensorik, Aktorik (Teilgebiet der Antriebstechnik, hier: das Erzeugen einer Bewegung oder einer Verformung) und Signalverarbeitung“ beschrieben und gehören zu den derzeit aufwändigsten Medizinprodukten (4). Sie können Informationen über das genaue Milieu, Eigenschaften ihrer Umgebung und andere Charakteristika messen und übermitteln, die körperextern nicht zu gewinnen sind (3). Besonders solche Informationen versprechen in der individuellen Anpassung therapeutischer Maßnahmen einen extrem hohen Nutzen und eröffnen neue Wege in der personalisierten Medizin.
Stand der Dinge – Womit intelligente Implantate „kämpfen“ und einige Lösungen
Disziplinübergreifende Innovationen haben geholfen, einige der Kernprobleme intelligenter Implantate zu lösen.
- Größe der Sensoren und Bauteile in Bezug zu Implantatgröße → Die Mikroelektronik ermöglicht immer kleinere Bauteile. Dennoch bleibt die Größe ein kritischer Faktor (3).
- Robustheit der Implantate im Milieu unseres Körpers → Robustere Telemetriesysteme (3) und neue biokompatible Materialien, die Fremdkörperreaktionen des Körpers auf die Implantate vermindern (5), verlängern heute die Lebensdauer der Implantate.
- Energieverbrauch der Implantate (3) → Induktives Laden macht Batterien überflüssig (3). → Piezzoresistive Polymere benötigen keine externe Energieversorgung (3). → Körperbewegungen, bspw. des Auges, werden zur Gewinnung der nötigen Betriebsströme genutzt (4).
- Strecke der Datenübertragung vom Implantat zu externen Geräten (3) → Drahtlose Technologien (WiFi, Bluetooth, NFC, …) werden zur Datenübermittlung eingesetzt (3).
- Modifikation durch einen smarten Sensor, da dies Eigenschaften des Implantats – bspw. die Statik einer orthopädischen Prothese, verändert (3). → Sensoren, die ausschließlich geringfügige bis keine Modifikationen erfordern, werden hier die Entwicklung weiter vorantreiben.
- Kosten der smarten Technologie → Auch die Kosten der intelligenten Technologie bleiben ein relevanter Faktor für deren Einsatz in der breiten Versorgung (3).
Intelligente Implantate erkennen individuellen Heilungsverlauf
Mit Hilfe intelligenter Sensorik lassen sich Informationen aus dem Körper des Patienten letztlich zu dessen maximal optimierter, weil genau auf ihn zugeschnittenen Therapie einsetzen (6). Mehr noch: die therapeutischen Maßnahmen können durch intelligente Implantate nahezu in Echtzeit adaptiert werden, anstatt verzögert bis zu dem Zeitpunkt, an dem sich die Auswirkungen der durch die Sensoren gemessenen Phänomene – beispielsweise an der Körperoberfläche oder durch generalisierte Reaktionen des Körpers – für den Arzt mess- oder sichtbar darstellen würden. Frühe Intervention wiederum verbessert die Heilungschancen, reduziert Behandlungskosten sowie -dauer und erhöht die Ergebnisqualität für den Patienten.
Orthopädische Implantate bieten exemplarisch aufgrund ihrer Größe gute Voraussetzungen für das Einpassen von Sensoren (3). Mit diesen lassen sich physikalische Parameter messen, um die Belastung und das Einwachsen der Prothesen in den Knochen zu beurteilen (3, 4). So können im Heilungsverlauf individuelle Belastungsanpassungen sowie eine personalisierte Rehabilitationstherapie erfolgen (3, 4). Durch eine individuelle Therapieanpassung können Leistungserbringer den Therapieerfolg erhöhen, sowie zeitliche Ressourcen bis zu diesem einsparen. Gleichzeitig liefern die generierten Messwerte Informationen zur technischen Weiterentwicklung für Hersteller (3).
Ein weiteres Beispiel stellen orthopädische Implantate zur Unterstützung der Knochenheilung dar. Diese liefern individuelle und aktuelle Informationen über die Bruchstelle, ihren Heilungsprozess und die Belastungsmuster des Implantats und unterstützen auf diese Weise eine passgenmaue personalisierte Therapie (5, 7). Das Potential, die individuelle Behandlungsqualität zu steigern und teure Spätinterventionen, Wiedereinlieferungen von Patienten und Revisionseingriffe zu reduzieren, wird deutlich (3, 4). Trotz des darstellbaren Nutzens ist die Anzahl der klinisch eingesetzten smarten orthopädischen Implantate, nicht zuletzt aufgrund der zusätzlichen Kosten, derzeit noch gering (1): In 5 Jahrzehnten Forschung beläuft sich die Gesamtzahl der intelligenten orthopädischen Permanentimplantate auf rund 100 Patienten (3).
Steigende Personalisierung und sinkende Kosten
Eine Erhöhung der Behandlungsqualität sowie eine zeitgleiche Verminderung der Patientenbelastung durch den Einsatz intelligenter Implantate ist nicht auf die Orthopädie beschränkt. In der Tumormedizin registrieren implantierbare Sensoren feinste Veränderungen im Gewebe-Milieu wie beispielsweise die Sauerstoffsättigung der Tumorumgebung zur Auskunft über dessen Entwicklungsphase. Auf Basis der digital gewonnenen Informationen können individuelle therapeutische Interventionen initiiert werden (4). Unter dem zusätzlichen Aspekt der Kostenreduktion der gesamten Therapie onkologischer Patienten, können schon heute intelligente Markierungsclips das umgebende Tumor-Milieu messen, um Rückschlüsse auf die Tumorentwicklung zu ziehen und eine personalisierte Behandlung zu ermöglichen (5). Sowohl der frühzeitige Einsatz einer Chemo- oder Strahlentherapie als lebensrettende Maßnahmen, als auch eine optimierte Reduktion von Chemotherapeutika oder Strahlendosis sowie von Kontrolluntersuchungen sind verfolgte Ziele.
Fazit
Intelligente Implantate spielen schon heute, besonders bei kostenintensiven Therapien eine zunehmend wichtigere Rolle. Das Potential zur stärkeren Personalisierung medizinischer Maßnahmen, die Optimierung der Therapie durch Individualisierung mithilfe von digital gewonnenen aktuellen Informationen, die direkt am Ort des krankhaften Geschehens erhoben werden, sind maßgebliche Faktoren für den zunehmenden Einsatz. Zukünftig ist zudem denkbar, mit Hilfe sensorbasierter Implantate Infektionen zu erkennen, um frühzeitig präventiv mittels einer medikamentösen Therapie invasiven Folgebehandlungen vorzubeugen.
Die Problemlösung bezüglich der Eintrittsbarrieren – beispielsweise erforderliche Modifikationen am Implantat und die Kosten der smarten Technologie – sowie sukzessive Forschung in ebendiesen Bereichen bleiben aktuell eine wichtige Aufgabe für die Medizintechnologie. Weitere klinische Studien sind hier notwendig, um Leistungs- und Sicherheitsdaten über die Implantate zu sammeln. Mit der rasch fortschreitenden digitalen Transformation ist der Weg für eine breite Einführung intelligenter Implantate geebnet. Innovative Sensortechnologie, die Änderungen an bestehenden Implantaten minimiert, kann der Schlüssel sein, um intelligente Implantate in die tägliche klinische Praxis zu bringen.
Quellen
- BVMed. Geschichte der Implantate und Prothesen. 2014.
- Brunner FX, editor Implantatmaterialien — was hat sich wo und wann bewährt? Springer Verlag. Berlin, Heidelberg. 1993. zum Original
- Ledet EH, Liddle B, Kradinova K, Harper S. Smart implants in orthopedic surgery, improving patient outcomes: a review. Innovation and entrepreneurship in health. 2018;5:41. zum Original
- BMBF. Intelligente Implantate – Steckbriefe der ausgewählten Projekte der BMBF-Fördermaßnahme. BVMed MedTech Trends, Technologien: BVMed.v 2014. zum Original
- Andreu-Perez J, Leff DR, Ip HM, Yang G-Z. From wearable sensors to smart implants-–toward pervasive and personalized healthcare. IEEE Transactions on Biomedical Engineering. 2015;62(12):2750-62. zum Original
- Sirivisoot S, Webster TJ. Biosensors as implantable medical devices for personalized medicine. Journal of Biosensors & Bioelectronics. 2012:1. zum Original
- Hillienhof A. Intelligente Implantate sollen Knochenheilung ueberwachen. Deutsches Ärzteblatt. 2020. zum Original
