Kirby Pucket gewann mit den Minnesota Twins zweimal die «World Series» im Baseball. Am 28. März 1996 wachte er morgens auf und war auf dem rechten Auge blind. Diagnose: Glaukom. Seine Karriere im Sport war vorbei. Das Glaukom ist nur eine von mehreren Erkrankungen, bei denen die Sauerstoffkonzentration im Auge zu gering ist: Wie jedes Gewebe unseres Körpers braucht auch die Netzhaut Sauerstoff. Wenn die Sauerstoffzufuhr abgeschnitten wird, kann dies zur Erblindung führen, manchmal – wie im Falle von Kirby Pucket – innert weniger Stunden.

Für eine Diagnose müssten Ärzte die Sauerstoffversorgung der Netzhaut messen können, jedoch sind bisherige Verfahren nicht sehr empfindlich. Forscher um Bradley Nelson, Professor für Robotik und Intelligente Systeme an der ETH, haben nun einen Mikroroboter entwickelt, der Sauerstoff im Auge messen kann. «Ich stelle mir das so vor wie die Roboter, mit denen man heute den Meeresgrund kartiert. Mit dem Mikroroboter können wir im flüssigen Augeninnern – dem Glaskörper - den Sauerstoffgehalt entlang der Retina messen», erklärt Nelson.

Winzige Werkzeuge

Die Netzhaut ist für Ärzte nur schwer zugänglich. Daher benötigen sie besonders präzise Werkzeuge. Die Forscher vom Multi-Scale-Robotics-Lab der ETH entwickeln winzige Roboter, die zum Beispiel Medikamente direkt an bestimmte Stellen der Retina bringen oder als Mikroskalpelle Narbengewebe im Auge entfernen können. Im Gespräch mit Augenärzten und Chirurgen erkannten die Forscher, dass ihre Roboter auch als Diagnosewerkzeug dienen könnten, wenn es ihnen gelänge, damit die Sauerstoffversorgung der Netzhaut zu prüfen.

Nur einen Millimeter lang und etwa 0,3 Millimeter im Durchmesser ist der Roboter, den die Forscher durch Magnetfelder bewegen und präzise durch das flüssige Innere des Augapfels steuern. «Wir hatten diesen Roboter und fragten uns, wie wir ihn dazu bringen, Sauerstoff zu messen», erinnert sich Nelson. «Wir hätten versuchen können ihn mit Elektronik, wie einem Sensor und einem Transmitter, auszustatten, aber ein System so einfach wie möglich zu halten, ist immer besser.»

Fluoreszierender Sauerstoff-Sensor

Unterstützung erhielten die ETH-Forscher von Chemikern der Universität Granada: Diese hatten einen Farbstoff entwickelt, der sich je nach Sauerstoffgehalt der Umgebung verändert. Mit Licht einer bestimmten Wellenlänge angeregt fluoresziert dieser Stoff. Wenn die Lichtquelle erlischt, nimmt die Fluoreszenz allmählich ab, und zwar umso schneller, je mehr Sauerstoff vorhanden ist. Mit diesem Farbstoff überzogen Olgac Ergeneman vom Multiscale-Robotics-Lab und seine Kollegen den Mikroroboter. Damit machten sie ihn zur Sonde, mit dem sie den Sauerstoffgehalt der Glaskörperflüssigkeit über die Stärke der Fluoreszenz messen können. Um das Leuchten des winzigen Roboters zu verstärken, trugen sie den Farbstoff in Form von Nanokügelchen auf, wodurch sie die fluoreszierende Oberfläche vergrösserten.

Getestet haben die Forscher den Mikroroboter in Wasser, in dem sie ein Sauerstoffgefälle anlegten. So überprüften sie, ob der Mikroroboter an verschiedenen Stellen des Gefälles die richtige Sauerstoffkonzentration anzeigte. Dabei mass der Roboter den Sauerstoffgehalt bis aufs Millionstel genau, womit er so sensitiv ist, dass er für die Diagnostik im Auge in Frage kommt.

Augenärzte könnten den Roboter mithilfe einer Injektionsnadel einsetzen, ihn über Magnetfelder in die richtige Position bringen und das Fluoreszenzsignal über ein Mikroskop durch die Pupille messen. Mit einer magnetischen Injektionsnadel lässt sich der Roboter auch leicht wieder entfernen. Der Nachteil der Methode ist, dass sie - wenn auch minimal - invasiv ist und damit eine kleine Infektionsgefahr besteht. Auf dem Markt sind mittlerweile Diagnoseverfahren, die ohne einen Stich in den Augapfel auskommen, jedoch sind diese bislang weniger sensitiv. Interessant wäre eine Kombination aus Technologien, welche den Mikroroboter gleichzeitig zum Diagnose- und zum Operationswerkzeug machen.

Literaturhinweis

Ergeneman O, Chatzipirpiridis G, Pokki J, Marín-Suárez M, Sotiriou GA, Medina-Rodríguez S, Sánchez JF, Fernández-Gutiérrez A, Pané S, Nelson BJ. In vitro oxygen sensing using intraocular microrobots. IEEE Trans Biomed Eng. 2012 Nov;59(11):3104-9. DOI: 10.1109/TBME.2012.2216264