Brauchen Sie ein Glukometer? Ihr Telefon könnte bald die Lösung sein

Vom Handykompass zum Glukometer

Die Überwachung von Gesundheitskennzahlen wie Glukosespiegel ist in vielen Krankheitsbildern häufig erforderlich. Dies erfordert in der Regel entweder Labortests oder teure, spezialisierte medizinische Geräte.

Dies könnte sich ändern, dank der Umnutzung von Teilen des mittlerweile allgegenwärtigen Smartphones, laut einem wissenschaftlichen Papier von Forschern des National Institute of Standards and Technology in Boulder, USA, mit dem Titel „Quantitative, hochsensible Messung von flüssigen Analyten mittels Smartphone‑Kompass.“ Quantitative, high-sensitivity measurement of liquid analytes using a smartphone compass.

Sie entdeckten eine Methode, den im Smartphone integrierten Magnetkompass zu einem medizinischen Gerät umzuwandeln, das Glukose oder pH messen kann.

Diese innovative Anpassung eines Smartphones beruht auf Hydrogel, einem porösen Material, das sich beim Eintauchen in Wasser ausdehnt. Die Forscher Mark Ferris und Gary Zabow entwickelten ein speziell gestaltetes Hydrogel mit winzigen magnetischen Partikeln, die darin eingebettet sind.

Dieses Hydrogel wurde so konstruiert, dass es auf Änderungen der Glukosekonzentration oder des pH‑Werts (Säuregehalt) reagiert, indem es schrumpft oder sich vergrößert. Dies wurde durch die Herstellung von zwei Hydrogel‑Schichten erreicht, die jeweils mit unterschiedlicher Geschwindigkeit auf pH‑ oder Glukoseänderungen reagieren.

Diese Größeveränderung verschiebt die magnetischen Partikel näher an den Telefonkompass oder weiter davon weg, was vom Telefon leicht gemessen werden kann.

Quelle: NIST

Sowohl Glukose als auch pH sind wichtige Kennzahlen in einer Vielzahl von Krankheiten, einschließlich Diabetes. Die Methode erreichte eine beeindruckende Empfindlichkeit, indem sie Änderungen von nur wenigen Millionstel eines Mols (die wissenschaftliche Einheit für eine bestimmte Anzahl von Atomen oder Molekülen in einer Substanz) nachweisen konnte, weit unter der für eine zuverlässige Diagnose erforderlichen Präzision.

Das Hydrogel kann über einen einfachen Kunststoff‑Clip mit dem Smartphone in Kontakt gebracht werden, und die Variation des Magnetfeldes kann über eine einfache App gemessen werden. Der Kunststoff‑Clip könnte sogar 3D‑gedruckt werden.

Quelle: Nature

Wesentliche Vorteile von Handy‑Glukometern

An sich liefert diese Messmethode keine technisch genauere Messung von Glukose oder pH. Sie bietet jedoch einige zentrale Vorteile:

• Kosten: Da Smartphones bereits verfügbar sind, entfällt der Bedarf an einem speziellen medizinischen Gerät.
  • Zusätzlich sind Hydrogele wie das hier verwendete preisgünstig und lassen sich in großem Maßstab leicht herstellen. Dies sollte die Kosten für die „Patrone“ zur Glukosemessung niedrig halten. Der Forscher schätzte die Kosten der Hydrogel‑Aktuatoren für die Glukosemessung auf 0,16 $ und für pH auf 0,03 $.
• Es benötigt zudem keine zusätzliche Stromquelle, wodurch es ein ideales Messwerkzeug in jeder Situation ist, von zu Hause bis ins Büro usw.
• Da Smartphones bereits über Konnektivität verfügen, können sie medizinische Daten direkt an Ärzte oder eine Gesundheits‑App übermitteln und so ohne zusätzliche Kosten direkte Daten in digitale Gesundheitssysteme einspeisen.
• Die extreme Empfindlichkeit der Methode ermöglicht die Verwendung einer sehr kleinen Probe, wodurch die Messung weniger invasiv wird.

Insgesamt könnte dies das tägliche Leben von Millionen von Patienten radikal verändern und gleichzeitig die Überwachung sowie die digitale Datenqualität zu wichtigen Gesundheitskennzahlen verbessern.

Quelle: Unsplash

Was kommt als Nächstes?

Regulierung

Diese Innovation muss in eine benutzerfreundliche Glukometer‑Messmethode umgewandelt werden, die von medizinischen Fachkräften getestet und von Gesundheitsbehörden wie der FDA validiert werden muss.

Obwohl dies eher eine regulatorische als eine technische Frage ist, wird es wahrscheinlich Zeit und Geld erfordern.

Eine dedizierte Software und eine entsprechende ergonomische App, die die magnetische Messung in eine Glukosemessung umwandeln kann, müssen ebenfalls entwickelt und gleichermaßen von Ärzten und Regulierungsbehörden validiert werden.

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Schließlich muss jede Weitergabe der medizinischen Daten so erfolgen, dass eine sichere und vertrauliche Speicherung dieser Daten gewährleistet ist. Jede Integration mit anderen Gesundheits‑Monitoring‑Apps oder die Kommunikation mit Gesundheitsfachkräften wird denselben Anforderungen unterliegen.

Weitere Gesundheitsmessungen

Glukose und pH wurden in dieser Studie von den Forschern als Machbarkeitsnachweis verwendet, aber viele andere biologische Kennzahlen könnten auf dieselbe Weise gemessen werden.

Zum Beispiel bedeutet die extrem hohe Empfindlichkeit, dass Glukose auch im Speichel gemessen werden könnte, der viel weniger konzentriert ist als im Blut. Kombiniert mit der einfachen Handhabung eines Smartphones würde dies die Messung weitaus weniger invasiv machen als jedes aktuelle Glukometer.

Die Methode könnte auch für andere Moleküle verwendet werden.

Zum Beispiel werden Histamine normalerweise durch aufwendige Laboranalysen gemessen und erfordern eine 24‑Stunden‑Urinprobe, könnten jedoch mit dieser neuen Methode zu Hause gemessen werden.

Dies könnte auch mit einer speziellen Hydrogel‑Formel verwendet werden, die Analyt‑Bindungsgruppen enthält. Dadurch könnte das Hydrogel auf relevante Zielstoffe wie Natrium, Kalium, Laktat und Enzyme reagieren.

Quelle: Unsplash

Verbessertes Hydrogel‑Detektordesign

Die in dieser Studie vorgeschlagenen bilagigen, einheitlichen Hydrogel‑Platten sind nur eine von mehreren Optionen für die Gestaltung eines Hydrogel‑Messgeräts.

Die Forscher schlagen Alternativen vor, wie z. B. „eine Knickbewegung mit einem an beiden Enden fixierten Hydrogel, anstatt nur an einem, könnte die Stabilität erhöhen“.

Eine drehende Hydrogel‑Bewegung könnte es ermöglichen, dass die Feldrichtung von negativ zu positiv wechselt, wodurch die mögliche Gesamtsignaländerung verdoppelt und der Dynamikbereich erhöht wird, wenn die Anzahl der Feldrichtungswechsel zwischen jedem 180°‑Dreh des Hydrogel‑Aktuators verfolgt wird.

Sicherzustellen, dass das System Störungen und Verunreinigungen erkennt, die die Messung verfälschen könnten, wird ebenfalls wichtig sein.

Sicherzustellen, dass das Hydrogel eine lange Haltbarkeit hat, wird ebenfalls für einen späteren kommerziellen Erfolg unerlässlich sein.

Handys zu chemischen Analysewerkzeugen machen

Eine weitere Anwendung dieser Entdeckung geht über die Messung biologischer Parameter hinaus. Die Messung des pH‑Werts ist beispielsweise in einer Blutprobe nützlich, kann aber ebenso gut den pH‑Wert von Wasser oder Boden messen.

Dies könnte das System zu einer leistungsstarken Alternative zu pH‑Teststreifen für Feldmessungen machen, während es die Messgenauigkeit eines tausend Dollar teuren Laborgeräts zu einem Bruchteil der Kosten bietet.

Hydrogel könnte zudem so gestaltet werden, dass es auf andere chemische und physikalische Stimuli wie Licht, Ionenstärke und Temperatur reagiert.

Mögliche Anwendungen werden für die häusliche Quantifizierung von chemischen Kontaminanten im Leitungswasser, für Lebensmitteltests anderer undurchsichtiger Flüssigkeiten wie Orangensaft, Milch, Kaffee, Wein oder Suppen sowie für Umweltanalysen, etwa zur Untersuchung möglicherweise trüber See- oder Flusswasser in abgelegenen Gebieten, gesehen.

Smartphone‑basierte DNA‑Analyse?

In fernerer Zukunft können wir uns sogar vorstellen, dass Hydrogel fortschrittliche Zieltechniken nutzt, wie molekular geprägte Polymere und komplementäre Nukleinsäuresequenzen. Dies würde dem Hydrogel die Fähigkeit verleihen, auf spezifische Proteine und DNA‑Sequenzen zu reagieren.

Damit könnten Smartphones dann in der Lage sein, Krankheitserreger in Luft oder Wasser zu erkennen und teure, abfallproduzierende Tests wie die während der Pandemie eingesetzten Covid‑Tests zu ersetzen.

Kontinuierliche Überwachung

Diese Studie zeigt, wie Smartphones und das gesamte IoT (Internet of Things) voraussichtlich die Art und Weise revolutionieren werden, wie wir künftig medizinische und chemische Messungen durchführen.

Wir tragen ständig in unseren Taschen ein komplexes elektronisches Gerät, das bereits extrem empfindliche Analysewerkzeuge integriert hat und für neue Anwendungen umfunktioniert werden kann.

Die Glukosemessung wird wahrscheinlich zu den ersten gehören, aber wir können uns leicht eine Zukunft vorstellen, in der wir einfach einen Tropfen Speichel oder unseren Atem auf das Smartphone geben und es uns biochemische Daten, Pathogenerkennung, Umweltverschmutzungswarnungen usw. liefert.

IoT‑ und Gesundheitssensor‑Unternehmen

1. Koninklijke Philips N.V.

Philips ist eine bekannte Verbraucher‑Elektronikmarke (Rasierer, elektrische Zahnbürsten) und zugleich im Gesundheitswesen aktiv. Sie war 2022 in Europa die Nummer 1 bei MedTech‑Patentanmeldungen.

Sie ist im Bereich vernetzter Medizinprodukte aktiv, von Wearables über Bildgebung, Beatmungsgeräte bis hin zu medizinischen Robotern. Das Unternehmen ist zudem im Halbleiterbereich (einschließlich Magnetschwebetechnologie) sowie in High‑Tech/Robotik/Automatisierung tätig.

Die Wearables von Philips decken kardiale, respiratorische und Aktivitätsmetriken ab. Seine Sensoren können in Smartwatches, Gesundheitsmonitoren, medizinischen Pflastern und Aktivitätstrackern integriert werden.

Bezüglich Wearables bevorzugt Philips eine Partnerschaftslösung, bei der es für Dritte „ihre“ vernetzten IoT‑Medizingeräte entwickelt, die vollständig mit den übrigen Philips‑Lösungen kompatibel sind. In diesem Kontext bietet es seinen Kunden Prototyping, regulatorische Beratung, End‑to‑End‑Produktentwicklung und industrielle Serienproduktion.

Das Unternehmen möchte ein vollständig integriertes digitales Gesundheitsumfeld schaffen, in dem Sensoren zu Geräten passen und mehrere Konnektivitätslösungen genutzt werden, um in die Philips HealthSuite Cloud‑Lösung zu integrieren und tiefgehende Datenanalysen zu ermöglichen.

Quelle: Philips

Da Philips eine Geschichte hat, weitreichende Partnerschaften im Gesundheits‑Messbereich aufzubauen und die Daten in Healthcare‑SaaS zu integrieren, könnte das Unternehmen auch in einer Spitzenposition für die Integration von smartphone‑basierten Glukose‑ und pH‑Daten sein.

2. Garmin Ltd.

Garmin ist ein führender Anbieter von Outdoor‑Elektronik, der zunächst GPS‑ und Navigationsgeräte (Auto, Marine und Flugzeuge) anbot und nun auf Fitness‑ und Gesundheits‑Monitoring ausgeweitet hat.

Fitness macht 23 % des Unternehmensumsatzes und 10 % des Betriebsergebnisses aus, hauptsächlich getrieben durch Smartwatches. 2022 wurden 15 Millionen Geräte ausgeliefert.

Quelle: Garmin

Garmin bietet ein vollständiges Ökosystem von Gesundheitsdaten für Forscher, das Bereiche wie Forschung zu Schlaf, Depression, Krebsbehandlungen, Frauen‑Gesundheit oder sogar Müdigkeits‑Fahrverhalten unterstützt.

Garmin ist vielleicht kein Technologieriese, aber es fokussiert sich stark auf den Outdoor‑ und Fitness‑Bereich, wobei die Hälfte seiner Einnahmen neben der Navigation erzielt wird. Dieser Sektor ist zudem das Hauptwachstumsfeld des Unternehmens, wobei dieses Segment voraussichtlich in Zukunft zur Hauptumsatzquelle wird.

Es ist wahrscheinlich, dass gesundheitsbewusste Garmin‑Nutzer dank hydrogelbasierter Messungen daran interessiert sein werden, weitere Gesundheitsparameter zu überwachen.

Dies kann von Unternehmen wie Garmin in zwei verschiedenen Wegen zu einer Chance gemacht werden:

• Einen bereits vorhandenen Kompass nutzen oder ein Magnetometer in ihr Gerät integrieren, um hydrogelbasierte Messungen zu ermöglichen.
• Ihre Geräte mit dem Smartphone verbinden, um eine integrierte Darstellung der Gesundheitsdaten sowohl vom Smartphone als auch von Garmin‑Geräten zu ermöglichen.

Der Ruf von Garmin für robuste, hochwertige und nützliche Outdoor‑Produkte überträgt sich gut auf den Fitness‑ und Gesundheitsbereich. Interessanterweise führt es im Premium‑Segment, mit dem größten Marktanteil im Preisbereich > 500 $, und schlägt hier Apple (AAPL ), obwohl Apple üblicherweise das Hochpreissegment von Smartphones, Computern und Tablets dominiert.