Künftige Pillen werden elektronisch sein
Die digitale Welt, in der wir leben, wird sich mit der biologischen Welt verbinden, ist Martin Fussenegger überzeugt. Seine Vision: In 50 Jahren werden uns elektronische Pillen heilen.
Die Medizin benutzt seit Jahrhunderten dasselbe Therapiekonzept: Fühlen wir uns schlecht, gehen wir zum Arzt, und dieser verschreibt uns eine Pille, die wir dreimal am Tag einnehmen müssen. Die Medikamentendosis bestimmt der Arzt aufgrund unseres Körpergewichts. Dieses Konzept hat mehrere Nachteile: Wir gehen immer erst dann zum Arzt, wenn wir schon krank sind. Die Dosierung der Medikamente ist unpräzis. Und mit vielen Therapien versuchen wir zwar, Symptome in den Griff zu bekommen, oft heilen wir die Krankheit selbst jedoch gar nicht.
Bio-elektronisches Implantat
Ich wage daher eine These: In ferner Zukunft werden wir nicht mehr klassische Pillen schlucken, die wenig leisten, und mit denen wir wahrscheinlich nicht alle existierenden Gesundheitsprobleme lösen können. Vielmehr werden die Pillen in 50 Jahren elektronisch sein. Sie werden aus einer Kapsel bestehen, die wir uns unter die Haut implantieren lassen können. Die Kapsel enthält einerseits Designerzellen, die unseren Stoffwechsel überwachen und über die Produktion von Proteinen und Stoffwechselprodukten korrigierend eingreifen können. Andererseits enthält die Kapsel eine Elektronik, welche die Designerzellen steuert und eine Verbindung zur Aussenwelt ermöglicht. Ärzte werden über ihr Smartphone die Funktion der elektronischen Pille justieren können, und wenn nötig können sie intervenieren.
Solche elektronischen Pillen werden Diagnose und Therapie miteinander verbinden. Die Therapie wird sofort eingeleitet und erfolgt in der individuell richtigen Dosis. Metabolische Krankheiten werden wir so im Keim ersticken können.
Molekulare Prothesen steuern Stoffwechsel
Erste Forschungserfolge, die in diese Richtung zielen, gibt es bereits. In unserer Gruppe erforschen und entwickeln wir seit Jahren sogenannte molekulare Prothesen. Prothesen sind bekannt von mechanischen Problemen: Wenn wir nicht mehr gehen können, wenn uns ein Zahn ausfällt oder Haare ausfallen, behelfen wir uns mit Prothesen, um das Fehlende zu ersetzen. Auch für fehlerhaft funktionierende biochemische Vorgänge kann man Prothesen entwickeln. Das wären dann umprogrammierte Zellen, die im Körper die Funktion von defekten Zellen übernehmen.
Diese Designerzellen könnten dereinst für Diabetiker genügend Insulin herstellen, anderen Personen den Fettstoffwechsel so regulieren, dass sie nicht übergewichtig werden, oder sie könnten das Wachstum von Tumorzellen in einem frühen Stadium unterbinden. Die Zellen würden Krankheiten erkennen und über die Produktion von Stoffwechselprodukten sofort eine Therapie einleiten. Wenn die Therapie abgeschlossen ist, würden die Zellen in den Standby-Modus zurückfallen.
Eine im Vergleich dazu noch einfache Art von Zelltherapie kann man bereits anwenden: Novartis hat im August in den USA die Zulassung für eine neue Leukämie-Therapieform erhalten, für die patientenspezifische Zellen genetisch verändert werden. Diese veränderten Zellen spüren im Blut Tumorzellen und zerstören sie. Die genetisch veränderten Zellen von Novartis haben noch nicht die Komplexität einer molekularen Prothese, wie sie uns vorschwebt, und noch keine Feedback-Kontrolle. Dennoch ist es ein gewaltiger Schritt, eine Zelle genetisch umzuprogrammieren und damit eine therapeutische Funktion zu erreichen.
Biologie und Elektronik kommunizieren
In der Elektronik geht die Entwicklung noch schneller voran, und bereits heute ist unser Körper mit der digitalen Welt vernetzt. Wir tragen Bewegungssensoren, die unseren Schlaf aufzeichnen, unsere Schritte zählen und den Kalorienverbrauch ausrechnen. Ausserdem gibt es Forschungsprojekte, in denen in der Tränenflüssigkeit und im Körperschweiss Blutzuckerwerte und andere Gesundheitsparameter bestimmt werden. Schliesslich gibt es für Diabetiker Insulinpumpen, die elektronisch gesteuert sind, und Herzschrittmacher, die von ausserhalb des Körpers justiert werden können.
Diese Entwicklungen wird man in den nächsten Jahrzehnten mit den Entwicklungen auf der molekularen Ebene verbinden können, und die biologische Welt wird mit der elektronischen Welt in beide Richtungen kommunizieren.
Entwicklung einer Schnittstelle
Es braucht dazu eine Schnittstelle, die den beiden Welten den Austausch von Informationen ermöglicht. Eine solche Schnittstelle könnte man beispielsweise optogenetisch aufbauen. Die Optogenetik ist die Wissenschaft, mit Licht Gene zu steuern und damit das Zellverhalten zu beeinflussen. Vor drei Jahren zeigten wir zum Beispiel in einer Machbarkeitsstudie, dass wir mit unseren Gedanken drahtlos die Herstellung eines Proteins in Mäusen steuern können. Wir haben dazu die menschlichen Gedanken über ein Elektroenzephalogramm (EEG) erfasst und den Gedankeninput elektronisch auf ein optogenetisches Implant übertragen, das wir in Mäuse implantiert haben.1
Ein ehemaliger Doktorand meiner Gruppe, der nun in Shanghai tätig ist, ist nun einen Schritt weiter gegangen. Er schaffte es, die Optogenetik mit der Smartphone-Elektronik zu verbinden.2 Es ist damit möglich, mit einem Smartphone von überall auf der Welt ein Implantat einer Maus in Shanghai anzurufen, bei dieser Maus die Genaktivität zu steuern und so den Blutzuckerspiegel zu senken.
Die umfassend wirksame und einsetzbare elektronische Pille ist noch eine Vision. Mit unserer Forschungsarbeit sind wir und auch andere Wissenschaftler jedoch dran, in kleinen Schritten stetig auf dieses Ziel hinzuarbeiten.
Referenzen
1 Mit Gedanken Gene steuern (ETH-News 11.11.2014)
2 Jiawei Shao et al.: Smartphone-controlled optogenetically engineered cells enable semiautomatic glucose homeostasis in diabetic mice. Science Translational Medicine 2017. 9: eaal2298, doi: externe Seite 10.1126/scitranslmed.aal2298