Von Anne Trafton / MIT
Jedes Jahr führt ein Mangel an Impfungen zu etwa 1,5 Millionen vermeidbaren Todesfällen, vor allem in Entwicklungsländern. Ein Faktor, der Impfkampagnen in diesen Ländern erschwert, ist die geringe Infrastruktur für die Speicherung medizinischer Daten, so dass es oft keine einfache Möglichkeit gibt, festzustellen, wer einen bestimmten Impfstoff benötigt.
MIT-Wissenschaftler haben nun eine neuartige Methode entwickelt, um die Impfhistorie eines Patienten zu erfassen: Sie speichern die Daten in einem für das bloße Auge unsichtbaren Farbmuster, das gleichzeitig mit dem Impfstoff unter die Haut gebracht wird.
“In Gegenden, in denen Impfausweise aus Papier oft verloren gehen oder gar nicht existieren und elektronische Datenbanken unbekannt sind, könnte diese Technologie die schnelle und anonyme Erfassung der Impfhistorie von Patienten ermöglichen, um sicherzustellen, dass jedes Kind geimpft wird”, sagt Kevin McHugh, ein ehemaliger MIT-Postdoc, der jetzt Assistenzprofessor für Bioengineering an der Rice University ist.
Die Wissenschaftler zeigten, dass ihr neuer Farbstoff, der aus Nanokristallen (sogenannten Quantenpunkten) besteht, mindestens fünf Jahre unter der Haut verbleiben kann, wo er Nah-Infrarotlicht aussendet, das von einem speziell ausgestatteten Smartphone erkannt werden kann.
McHugh und der ehemalige Gastwissenschaftler Lihong Jing sind die Hauptautoren der Studie, die heute in Science Translational Medicine erscheint. Ana Jaklenec, Forscherin am Koch Institute for Integrative Cancer Research des MIT, und Robert Langer, Professor am David H. Koch Institute des MIT, sind die Hauptautoren der Studie.
Eine unsichtbare Registrierung
Vor einigen Jahren machte sich das MIT-Team daran, eine Methode zur Erfassung von Impfdaten zu entwickeln, die weder eine zentrale Datenbank noch eine andere Infrastruktur benötigt. Viele Impfstoffe, wie z. B. der Impfstoff gegen Masern, Mumps und Röteln (MMR), erfordern mehrere Dosen, die in bestimmten Abständen verabreicht werden müssen; ohne genaue Aufzeichnungen erhalten Kinder möglicherweise nicht alle erforderlichen Dosen.
“Um gegen die meisten Krankheitserreger geschützt zu sein, braucht man mehrere Impfungen”, sagt Jaklenec. “In einigen Gebieten in den Entwicklungsländern kann es sehr schwierig sein, dies umzusetzen, da es an Daten darüber mangelt, wer geimpft wurde und ob zusätzliche Impfungen benötigt werden oder nicht.”
Um eine dezentrale Krankenakte “am Patienten” zu erstellen, entwickelten die Forscher eine neue Form von Quantenpunkten auf Kupferbasis, die Licht im nahen Infrarotspektrum ausstrahlen. Die Farbpunkte haben nur einen Durchmesser von etwa 4 Nanometern, sind aber in biokompatible Mikropartikel eingekapselt, die Kugeln mit einem Durchmesser von etwa 20 Mikrometern bilden. Durch diese Verkapselung kann der Farbstoff nach der Injektion unter der Haut verbleiben.
Die Wissenschaftler haben ihren Farbstoff so konzipiert, dass er mit einem Mikronadelpflaster verabreicht werden kann und nicht mit einer herkömmlichen Spritze und Nadel. Solche Pflaster werden derzeit entwickelt, um Impfstoffe gegen Masern, Röteln und andere Krankheiten zu verabreichen und die Wissenschaftler zeigten, dass ihr Farbstoff problemlos in diese Pflaster eingearbeitet werden kann.
Die in dieser Studie verwendeten Mikronadeln bestehen aus einer Mischung von auflösbarem Zucker und einem Polymer namens PVA, sowie dem Quantenpunkt-Farbstoff und dem Impfstoff. Wenn das Pflaster auf die Haut aufgetragen wird, lösen sich die 1,5 Millimeter langen Mikronadeln teilweise auf und geben ihre Fracht innerhalb von etwa zwei Minuten frei.
Durch die selektive Beladung der Mikronadeln mit Mikropartikeln erzeugen die Pflaster ein Muster in der Haut, das für das bloße Auge unsichtbar ist aber mit einem Smartphone ohne Infrarotfilter gescannt werden kann. Das Pflaster kann so angepasst werden, dass es verschiedene Muster hinterlässt, die der Art des verabreichten Impfstoffs entsprechen.
“Es ist möglich, dass dieser ‘unsichtbare’ Ansatz eines Tages neue Möglichkeiten für Datenspeicherung, Biosensorik und Impfstoffanwendungen schafft, die die medizinische Versorgung verbessern könnten, insbesondere in Entwicklungsländern”, so Langer.
Wirksame Immunisierung
Tests mit menschlicher Haut zeigten, dass die Quantenpunkt-Muster von Smartphone-Kameras nach bis zu fünf Jahren simulierter Sonneneinstrahlung erkannt werden konnten.
Die Forscher testeten diese Impfstrategie auch an Ratten, indem sie Mikronadelpflaster verwendeten, die die Quantenpunkte zusammen mit einem Polio-Impfstoff abgaben. Sie fanden heraus, dass diese Ratten eine ähnliche Immunreaktion erzeugten wie die Ratten, die einen herkömmlich injizierten Polio-Impfstoff erhalten hatten.
“Diese Studie bestätigte, dass die Kombination des Impfstoffs mit dem Farbstoff in den Mikronadelpflastern keinen Einfluss auf die Wirksamkeit des Impfstoffs oder unsere Fähigkeit, den Farbstoff nachzuweisen, hatte”, so Jaklenec.
Die Forscher planen nun, das Gesundheitspersonal in Entwicklungsländern in Afrika zu befragen, um Anregungen zu erhalten, wie man diese Art der Impferfassung am besten umsetzen kann. Außerdem arbeiten sie daran, die Menge der Daten, die in einem einzigen Muster kodiert werden können, zu erweitern, so dass sie Informationen wie das Datum der Impfstoffverabreichung und die Chargennummer des Impfstoffs aufnehmen können.
Die Forscher glauben, dass die Quantenpunkte auf diese Weise sicher verwendet werden können, weil sie in einem biokompatiblen Polymer eingekapselt sind aber sie planen weitere Sicherheitsstudien, bevor sie an Patienten getestet werden. “Die Speicherung, der Zugriff und die Kontrolle von medizinischen Daten ist ein wichtiges Thema mit vielen möglichen Ansätzen”, sagt Mark Prausnitz, Lehrstuhlinhaber für Chemical and Biomolecular Engineering an der Georgia Tech, der nicht an der Forschung beteiligt war. “Diese Studie stellt einen neuartigen Ansatz vor, bei dem die Krankenakte auf minimalinvasive und elegante Weise in der Haut des Patienten gespeichert und von diesem kontrolliert wird.”
Die Forschung wurde von der Bill and Melinda Gates Foundationund dem Koch Institute Support (core) Grant des National Cancer Institute finanziert. Andere Autoren des Papiers gehören Sean Severt, Mache Cruz, Morteza Sarmadi, Hapuarachchige Surangi Jayawardena, Collin Perkinson, Fridrik Larusson, Sviatlana Rose, Stephanie Tomasic, Tyler Graf, Stephany Tzeng, James Sugarman, Daniel Vlasic, Matthew Peters, Nels Peterson, Lowell Wood, Wen Tang, Jihyeon Yeom, Joe Collins, Philip Welkhoff, Ari Karchin, Megan Tse, Mingyuan Gao, und Moungi Bawendi.
Quelle: https://news.mit.edu/2019/storing-vaccine-history-skin-1218 (Archiv: http://archive.today/oSiGO)
Übersetzung: Causalis
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