Drahtlos im Blut

Biologische Rechenmaschinen, wie Mikro- und Nanoimplantate, die wichtige Informationen im menschlichen Körper sammeln können, verändern die Medizin. Ihre Vernetzung für die Kommunikation hat sich jedoch als schwierig erwiesen. Nun hat ein internationales Team, dem auch EPFL-Forschende angehören, ein Protokoll entwickelt, das ein molekulares Netzwerk mit mehreren Sendern ermöglicht.

Tanya Petersen 22.11.2023

Zuerst gab es das Internet der Dinge (IoT), und jetzt verspricht das Internet der Bio-Nano-Dinge (IoBNT) an der Schnittstelle zwischen Informatik und Biologie, die Medizin und das Gesundheitswesen zu revolutionieren. Das IoBNT bezieht sich auf Biosensoren, die Daten sammeln und verarbeiten, auf Labs-on-a-Chip im Nanomassstab, die medizinische Tests im Körper durchführen, auf die Verwendung von Bakterien zur Entwicklung biologischer Nanomaschinen, die Krankheitserreger aufspüren können, und auf Nanoroboter, die durch den Blutkreislauf schwimmen und gezielt Medikamente verabreichen und behandeln.

«Insgesamt handelt es sich um ein sehr, sehr spannendes Forschungsgebiet», erklärt Assistenzprofessor Haitham Al Hassanieh, Leiter des Labors für Sensor- und Netzwerksysteme an der EPFL-Fakultät für Informatik und Kommunikation (IC). «Mit den Fortschritten im Bio-Engineering, in der synthetischen Biologie und in der Nanotechnologie werden Nanobiosensoren die Medizin revolutionieren, weil sie Orte erreichen und Dinge tun können, die aktuelle Geräte oder grössere Implantate nicht können.»

Doch so aufregend dieses hochmoderne Forschungsgebiet auch ist, es bleibt eine grosse, grundlegende Herausforderung: Wie soll man mit einem Nanoroboter kommunizieren, wenn er im Körper eines Menschen steckt? Herkömmliche Techniken wie drahtlose Funkgeräte funktionieren gut bei grossen Implantaten wie Herzschrittmachern oder Defibrillatoren, lassen sich aber nicht auf Mikro- und Nanodimensionen übertragen, und drahtlose Signale dringen nicht durch Körperflüssigkeiten.

«Die Leute denken, das sei Science-Fiction, aber es wird schnell zum Science-Fact.» Al Hassanieh, Leiter Labor für Sensor- und Vernetzungssysteme

Hier kommt die so genannte biomolekulare Kommunikation ins Spiel, die vom Körper selbst inspiriert ist. Sie nutzt keine elektromagnetischen Wellen, sondern biologische Moleküle sowohl als Träger als auch als Information und ahmt die bestehenden Kommunikationsmechanismen in der Biologie nach. In ihrer einfachsten Form kodiert sie «1»- und «0»-Bits, indem sie molekulare Partikel in den Blutkreislauf freisetzt oder nicht freisetzt – ähnlich dem ON-OFF-Keying in drahtlosen Netzwerken.

«Die biomolekulare Kommunikation hat sich als das am besten geeignete Paradigma für die Vernetzung von Nanoimplantaten herausgestellt. Es ist eine unglaubliche Idee, dass wir Daten senden können, indem wir sie in Moleküle kodieren, die dann durch den Blutkreislauf wandern, und dass wir mit ihnen kommunizieren können, indem wir ihnen sagen, wohin sie gehen und wann sie ihre Behandlungen freisetzen sollen, genau wie Hormone», sagte Al Hassanieh.

Kürzlich präsentierten Al Hassanieh und sein Team in Zusammenarbeit mit Forschenden in den Vereinigten Staaten auf der ACM SIGCOMM 2023, einer führenden jährlichen Konferenz über Datenkommunikation, ihr Papier Towards Practical and Scalable Molecular Networks (Praktische und skalierbare molekulare Netzwerke), in dem sie ihr MoMA (Molecular Multiple Access) Protokoll vorstellten, das ein molekulares Netzwerk mit mehreren Sendern ermöglicht.

«Die meisten bestehenden Forschungsarbeiten sind sehr theoretisch und funktionieren nicht, weil die Theorien die Biologie nicht berücksichtigt haben», erklärte Al Hassanieh, «zum Beispiel gibt es jedes Mal, wenn das Herz pumpt, einen Ruck und der Körper ändert seinen internen Kommunikationskanal. Die meisten bestehenden Theorien gehen davon aus, dass der Kanal, über den man die Moleküle schickt, sehr stabil ist und sich nicht verändert. Tatsächlich ändert er sich aber sehr schnell.»

In MoMA führte das Team Verfahren zur Paketerfassung, Kanalschätzung und Kodierung/Dekodierung ein, die die einzigartigen Eigenschaften molekularer Netzwerke nutzen, um bestehende Probleme zu lösen. Sie evaluierten das Protokoll auf einer synthetischen experimentellen Testumgebung – emulierte Blutgefässe mit Schläuchen und Pumpen – und zeigten, dass es auf bis zu vier Sender skaliert werden kann und dabei die modernste Technologie deutlich übertrifft.

Die Forschenden räumen ein, dass ihre derzeitige synthetische Testumgebung möglicherweise nicht alle Herausforderungen im Zusammenhang mit der Entwicklung von Protokollen für molekulare Netzwerke abdeckt und dass In-vivo-Tests von Mikroimplantaten und Mikrofluiden in Nasslaboren erforderlich sind, um praktische und einsatzfähige molekulare Netzwerke zu entwickeln. Sie glauben jedoch, dass sie die ersten Schritte in Richtung dieser Vision unternommen haben und dass ihre Erkenntnisse für die Entwicklung molekularer Netzwerke Bestand haben werden, da die zugrundeliegenden Diffusions- und Flüssigkeitsdynamikmodelle in ihrer Testumgebung für die molekulare Kommunikation grundlegend sind

«Ich bin sehr begeistert von diesem Gebiet, weil es eine neue Form der Kommunikation ist. Wir sind eine Systemgruppe, wir bauen gerne Dinge und bringen sie zum Laufen. Es hat einige Zeit gedauert, das Fachwissen zu entwickeln, das wir in der biomolekularen Kommunikation haben, aber jetzt sind wir in einem Stadium, in dem wir Mitarbeitende finden und die Dinge in Gang bringen können. Die Leute halten das für Science-Fiction, aber es wird schnell zu Science-Fact», so Al Hassanieh abschliessend.