Die Zukunft der Medizin – Biotechnologie und Miniaturroboter

Technologie wird im Gesundheitswesen täglich stärker eingesetzt und ist durch ihre Beiträge von der Bildgebung bis zu Behandlungsmöglichkeiten unverzichtbar geworden. Medizinische Forschung und Fortschritte lassen sich nicht mehr unabhängig von Technik denken. So findet ein neuer Begriff mitten in unserem Leben seinen Platz: Biotechnologie!

Was ist Biotechnologie?

Biotechnologie verbindet Naturwissenschaften mit Informatik, Maschinenbau sowie Elektro- und Elektroniktechnik. Sie bestimmt gesundheitlich relevante Proteine, Enzyme und Gene und entwickelt Moleküle oder Geräte für Diagnose und Behandlung.

Zu ihren zahlreichen Tätigkeiten gehören diagnostische Technologien wie DNA- und Genanalysen, fortschrittliche Impfstoffe, rekombinante Antikörper und Peptide sowie künstliche Organe. Sie spielt eine wichtige Rolle bei der Vorbeugung infektiöser und genetischer Krankheiten und bei der Entwicklung der Arzneimittelindustrie. Sie auf Gesundheit zu beschränken wäre falsch: Auch in der Landwirtschaft verbessert sie Lebensmittel, erzeugt Kunstdünger und neue Gemüse- und Obstsorten und hilft im Umweltbereich beim Anbau in trockenen Regionen. Biotechnologisch hergestellte Medikamente wirken spezifischer, da rekombinante DNA oder Gene nach Eintritt in den Körper das Zielgebiet leichter erreichen. Sie haben außerdem weniger Nebenwirkungen als andere synthetische Medikamente und wirken in kleineren Dosen. Zu den medizinischen Produkten für verschiedene Krankheiten gehören Zytokine, hormonähnliche Stoffe aus Zellen als Reaktion auf Krankheiten, Interferone gegen unkontrollierte Zellvermehrung, Interleukine zur Nachrichtenübermittlung zwischen Leukozyten, Immunglobuline, die an Organe binden und Reaktionen auslösen können, sowie rekombinante Wachstumsfaktoren und Hormone. Manche rekombinanten Peptide und Lipide sowie entwickelte Impfstoffe werden bei Gentherapien eingesetzt. Mit den Fortschritten befinden sich viele neue Behandlungen in Erforschung. Neben den zahlreichen Vorteilen bestehen auch schädliche Seiten: Manche Arbeiten können die Umwelt verschmutzen, viele Lebewesen töten und dadurch Nahrungsketten und Ökosysteme stören. Eine dunkle Seite ist außerdem die Möglichkeit biologischer Waffen. Der richtige Einsatz ist deshalb sehr wichtig, da Fehlgebrauch mehr schaden als nützen kann.

Die Roboterchirurgie entwickelt sich rasant – wie häufig wird Chirurgie künftig in der Medizin noch eingesetzt?

Mit neuen Technologien verändern sich auch Behandlungen. Bei manchen Eingriffen werden beispielsweise statt klassischer Chirurgie laparoskopische oder robotische Verfahren eingesetzt. Diese 2 neu entwickelten Operationsarten arbeiten durch millimetergroße Schnitte, schädigen gesundes Gewebe weniger und verkürzen die Genesung. Bei laparoskopischer, also endoskopischer Chirurgie werden medizinische Instrumente, Manipulatoren, durch einen etwa 10 Millimeter großen Schnitt eingeführt. Der Chirurg operiert mit diesen Instrumenten. Eine Kamera vergrößert die mikroskopisch kleinen Bilder und übermittelt sie, sodass präzisere Arbeiten möglich werden. Solche Verfahren kommen in Orthopädie, Augen-, Mikro-, Neuro- und Allgemeinchirurgie, Strahlentherapie und manchen onkologischen Operationen zum Einsatz. Einige Untersuchungen zeigten weniger Blutungen und Komplikationen sowie längeres krankheitsfreies Überleben nach Laparoskopie. Roboterchirurgie wird erst seit Kurzem häufiger genutzt, derzeit etwa in Urologie, Gynäkologie, Allgemein-, Herz-Kreislauf- und Adipositaschirurgie sowie Onkologie. Sie besitzt 3 Hauptarme, die der Chirurg von einer Konsole neben dem Patienten bedient. Die nach Händen und Handgelenken gestalteten Konsolen und Arme wurden später mit Drucksensoren versehen. So kann der Chirurg Weichheit oder Härte im Körper erkennen. Dies machte den Roboter präziser und erhöhte die Erfolgschancen… Die rasanten Fortschritte beeindrucken Außenstehende und Anwender. Wie würden Sie sich aber fühlen, wenn Chirurgie künftig außer in Notfällen fast nie mehr nötig wäre?! Besseres Verständnis und gezielte Beeinflussung des Immunsystems, Früherkennung, weniger invasive Techniken, Mikro-/Miniaturroboter und Fortschritte der Strahlentherapie werden viele heutige Operationen überflüssig machen.

Miniaturroboter kommen in die Medizin

Eine neue, wegweisende biotechnologische Entwicklung, die bei klinischem Einsatz die Medizin stark verändern wird, sind Mikro-/Miniaturroboter. Auf dem von uns vom 14-16 November 2019 organisierten Gipfel „Menschen mit Spuren in der Onkologie“begeisterte uns einer der ersten weltweit mit diesem Bereich verbundenen Namen, Prof. Metin Sitti, mit seinem Vortrag „Miniaturroboter in der Krebsdiagnostik und -behandlung“ geradezu.

Die von Prof. Sitti und seinem Team entwickelten Miniaturroboter in Kapsel- oder anderen Formen werden geschluckt oder intravenös eingebracht und lassen sich mit Magnetfeldern sehr erfolgreich steuern. Sie können Medikamente zu Krebszellen bringen und sogar Biopsien durchführen. Kapselroboter können nach dem Eingriff von selbst ausgeschieden werden. Dies gilt nicht für biopsierende Roboter, da das gewonnene Gewebe später untersucht werden muss und diese Roboter deshalb nach dem Eingriff entfernt werden.

Dank dieser Entwicklungen könnten spät erkannte Krebsarten wie Pankreas- oder Gallenkrebs mit Kapselrobotern früh diagnostiziert werden. Sie zeigen, wie gute Ergebnisse das Zusammenwirken vieler Wissenschaften bringt. Auch junge Menschen in der Berufsplanung sollten Biotechnologie unbedingt kennen. Die Vorteile fortschreitender Technik und künstlicher Intelligenz für Gesundheit werden immer sichtbarer. Von Diagnose bis Behandlung entwickeln oder verändern sich viele Elemente täglich. Dadurch entsteht Hoffnung auf künftige Therapien für heute unheilbare Krankheiten.

Wer ist Metin Sitti?

Prof. Metin Sitti erwarb Bachelor und Master im Fachbereich Elektro- und Elektroniktechnik der Boğaziçi-Universität und promovierte 1999 in Elektrotechnik an der Universität Tokio. An der University of California, Berkeley, war er 1999-2002 Postdoktorand und Hochschullehrer, an der Carnegie Mellon University 2002-2016 Professor. Seit 2014 ist er Direktor am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Deutschland. Seit 2018 ist er zudem Teilzeitprofessor an den medizinischen und ingenieurwissenschaftlichen Fakultäten der Koç-Universität. Seine Forschung umfasst vielfältige Themen der Mikrorobotik und intelligenten Systeme, etwa medizinische Mikroroboter und Geräte, naturinspirierte Miniaturroboter und weiche Roboter. Zur Vermarktung seiner von Gecko-Fußhärchen inspirierten Mikrofaser-Klebstoffe gründete er 2009 in den USA das Start-up nanoGriptech A.Ş. Dieser hochinnovative Klebstoff wird seit 2018 in vielen Marktprodukten verwendet.

Zu Metin Sittis zahlreichen Auszeichnungen zählen die Rahmi-Koç-Wissenschaftsmedaille 2018, ein ERC Advanced Grant 2019, der Preis für den besten Artikel der Robotics Science & Systems Conference 2019, der IEEE-Fellow-Titel 2014, der IEEE/ASME-Preis für den besten Mechatronikartikel 2014, der SPIE Nanoengineering Pioneer Award 2011 und der National Science Foundation CAREER Award 2005. Er veröffentlichte über 450 begutachtete Zeitschriften- und Konferenzbeiträge. Mehr als 250 Zeitschriftenartikel erschienen in führenden Publikationen wie Nature, Nature Materials, Nature Communications, Proceedings of the National Academy of Sciences, Science Robotics, Science Advances und Advanced Materials. Sie wurden bisher mehr als 22,000-mal zitiert. Sein jüngstes Buch „Mobile Microrobotics“ erschien bei MIT Press 2017. Er hielt über 200 eingeladene Vorträge auf bedeutenden Fachkonferenzen sowie an Universitäten und in Unternehmen. Außerdem ist er Chefredakteur von Progress in Biomedical Engineering und Journal of Micro-Bio Robotics.

*

Beenden wir den Artikel mit Worten des Schriftstellers und Historikers Yuval Noah Harari, eines der einflussreichsten Menschen unserer Zeit, zur Biotechnologie:

„Die Menschen müssen verstehen, dass die Menschheit derzeit drei existenziellen Bedrohungen gegenübersteht, die sich nicht national lösen lassen. Nur globale Lösungen sind möglich. Es sind Atomkrieg, Klimawandel und technologische Disruption, insbesondere der Aufstieg künstlicher Intelligenz, AI, und Bioengineering. KI und Biotechnologie können die Menschheit vernichten. Ein Wettrüsten bei KI oder Genetik garantiert ihre Vernichtung. Wer gewinnt, spielt keine Rolle; die Menschheit verliert.

Ich habe große Angst. Ich glaube, Technik ermöglicht heute die totalitärsten Regime der Menschheitsgeschichte, weit über George Orwells Vorstellung hinaus. Orwell stellte sich ein Regime vor, das einen ständig überwacht, aber nur in der Außenwelt: Was tun Sie, wohin gehen Sie, wen treffen Sie? Heute besitzen wir Technik, die Menschen rund um die Uhr, 24 Stunden täglich, und sogar Vorgänge in ihren Körpern überwachen kann. Durch die Kombination biometrischer Sensoren, künstlicher Intelligenz und Biotechnologie . In China gibt es beispielsweise Schulen, in denen Schüler biometrische Armbänder tragen. Man sagt, dies diene der Bildung: Der Lehrer weiß, ob man müde, gelangweilt oder überfordert ist. Doch dieselbe Technik kann politisch eingesetzt werden. Was wir im 20. Jahrhundert unter Stalin, Hitler oder Mao sahen, wird gegenüber den heute entstehenden Maschinen unbedeutend erscheinen.

Wenn wir Biotechnologie nicht richtig einsetzen, wird sie einer kleinen Elite übermenschliche Eigenschaften verleihen und die meisten Menschen zurücklassen. Die Menschheit wird dadurch in unterschiedliche Arten aufgespalten; erstmals werden Reiche eine andere Art als Arme sein. Das wäre die größte Ungleichheit der Geschichte. Viele Arbeitsplätze verschwinden, neue entstehen. Das Hauptproblem ist nicht der absolute Mangel an Arbeit, sondern die Umschulung. Menschen müssen im Laufe ihres Lebens immer wieder die Arbeit wechseln und weiterlernen. Das heutige Bildungssystem bereitet sie darauf nicht vor. Der einzige Weg, damit umzugehen, ist globale Zusammenarbeit.“