Die Leber ist eines unserer wichtigsten Organe. Sie ist dafür zuständig, dass wir unsere Nahrung richtig verwerten – Synthesefunktion – und dass giftige Stoffe aus unserem Organismus gelangen – Entgiftungsfunktion. Zu viel Alkohol, Stress, Bewegungsmangel und falsche Ernährung greifen die Leber an. Die Folgen sind kranke Zellen, die zu Entzündungen, Krebsgeschwüren, Fettablagerungen, Zirrhosen oder zum lebensbedrohenden Leberversagen führen können. Laut der Deutschen Leberstiftung haben über fünf Millionen Menschen in Deutschland eine kranke Leber. Oft sind die Krankheitsverläufe chronisch. Die Patienten leiden beispielsweise unter Gedächtnisstörungen (Enzephalopathie), Bauchwassersucht (Aszites) oder juckenden Ablagerungen in der Haut.

Medizinische Systeme, die die Leber in ihren Funktionen unterstützen, können Wartezeiten bis zur Lebertransplantation überbrücken, die Regeneration der Leber nach operativen Eingriffen beschleunigen oder Transplantationen überflüssig machen. Sie können neben der Entgiftungs- auch die Synthesefunktion übernehmen. Bislang gibt es jedoch keine zellbasierten Systeme, die medizinisch zugelassen sind. Gleichzeitig fehlen telemedizinische Plattformen, die es erlauben, Patienten mit chronischen Lebererkrankungen auch außerhalb des Krankenhauses zu beobachten und zu behandeln. »Das würde die Qualität der medizinischen Betreuung und die Lebensqualität der Patienten deutlich verbessern«, sagt Stephan Kiefer, Informatiker am Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT in St. Ingbert bei Saarbrücken.

Im EU-Projekt »d-LIVER« entwickelt das IBMT zusammen mit europäischen Partnern ein IT- und zellbasiertes System, mit dessen Hilfe Menschen mit chronischem Leberversagen in den eigenen vier Wänden medizinisch unterstützt werden können (www.d-liver.eu). Die Technologen sind dabei für die Programmierung der IT-Plattform und die Entwicklung der Sensorik verantwortlich, mit der der Zustand der Leberzellen im zellbasierten System gemessen wird. Am weitesten fortgeschritten sind am IBMT aktuell die Arbeiten am Patientenmanagementsystem. Die Wissenschaftler vereinen hier zum ersten Mal klassische Komponenten der Telemedizin, wie Vor-Ort-Überwachung und Telemonitoring für Ärzte, mit einem System, das bei Entscheidungen unterstützt, der »Care Flow Engine«. Kiefer erklärt, was sich genau dahinter verbirgt: »Wir haben es geschafft, dass von Ärzten entworfene Behandlungspläne von unserer IT-Technologie so benutzerfreundlich und automatisiert umgesetzt werden, dass chronisch Leberkranke längerfristig adäquat zu Hause behandelt werden können.«

Dazu haben die Wissenschaftler die IT-Applikation »Personal Health Manager« entwickelt. Patienten können sie bequem als App auf ihrem Tablet abrufen. Sie führt alle Daten von Geräten, die Blutdruck, Herzfrequenz, Gewicht, Temperatur und Leberwerte messen, sowie die Behandlungspläne aus der »Care Flow Engine« zusammen. »Es geht insbesondere darum, typische Komplikationen, die bei Lebererkrankungen entstehen, optimal zu behandeln«, sagt Kiefer. Das geschieht durch Tests, Fragen, Aufgaben oder Handlungsanweisungen. Zum Beispiel wird der Patient regelmäßig aufgefordert, sein Gewicht und seine Leberwerte zu messen und Gedächtnisaufgaben zu lösen. Das lässt Rückschlüsse zu, wie stark er etwa an Enzephalopathie und Aszites leidet. Das System bewertet die Ergebnisse automatisch, schlägt Anpassungen von Medikamentendosen vor und gibt Handlungsempfehlungen, die dann von Arzt und Patient gemeinsam diskutiert werden. »Die Technologie ist zwar aktuell für Lebererkrankungen angepasst, im Prinzip aber für die telemedizinische Behandlung jeder chronischen Krankheit geeignet. Das bestehende System daraufhin anzupassen, ist unser mittelfristiges Ziel«, sagt Kiefer. Ein erster Prototyp der IT-Plattform wurde im letzten Jahr von Medizinern positiv getestet. Aktuell wird eine Studie in Großbritannien mit 20 Leberpatienten vorbereitet.

Sensoren messen Vitalität der Zellen

Die Messsensorik für die Leberzellen hat am IBMT der Physiker Dr. Thomas Velten entwickelt: »Unsere Sensoren messen kontinuierlich die Vitalität der Zellen im Bioreaktor. Und das direkt an den Zellen. Das ist eine wichtige Ergänzung zu den konventionellen biochemischen Analysen«. Durch die eingebauten Sensoren muss nicht für jede Messung in den Bioreaktor eingegriffen werden. Die Gefahr der Kontamination der Zellen bei der Behandlung ist dadurch gebannt. Dabei kommt die Impedanzspektroskopie zum Einsatz. Impedanz ist der Fachbegriff für den Stromwiderstand bei Wechselstrom. Geht es den Zellen schlechter, so ändert sich deren Impedanzspektrum. Bisher konnte der Effekt in kleineren Laborreaktoren nachgewiesen werden. Ende des Jahres wollen die Forscher das in größeren Bioreaktoren wiederholen, die vom Volumen her eine menschliche Leber ersetzen können. »Die Online-Messung der Zellvitalität ist ein wichtiges Puzzleteil des IT-basierten Systems zur Unterstützung der Leber«, schließt Velten.