Molekulare Kommunikation im menschlichen Körper

PD Dr.-Ing. Ulrich Kertzscher, Dr.-Ing. Michael Lommel und M.Sc. Sophie Becke haben sich in ihrer Publikation mit der Idee eines Internet of Bio-Nano Things (IoBNT) zur synthetischen molekularen Kommunikation im menschlichen Körper beschäftigt. 

In der Übersichtsarbeit „Exhaled Breath Analysis Through the Lens of Molecular Communication: A Survey" zeigen sie, wie sich die Analyse der Atemluft für diese neue Technologie nutzen lässt. Die Fachzeitschrift „IEEE Communications Surveys & Tutorials" hat die gemeinsame Forschung des ICM-Teams mit Wissenschaftler:innen der TU Berlin, des King‘s College London, der TU Dresden und der TU München veröffentlicht.

Eine Vision für die Medizin der Zukunft

Schon länger beschäftigt sich die Wissenschaft mit der Idee, winzige Nanobots im menschlichen Körper einzusetzen. Diese könnten dort Überwachungs-, Diagnose- und Therapieaufgaben übernehmen – direkt auf kleinster Ebene, im Mikro- und Nanobereich. Die Grundlage dafür bildet die sogenannte synthetische molekulare Kommunikation: Informationen werden über Moleküle übertragen, ähnlich wie bei der Kommunikation zwischen Zellen in unserem Körper. Obwohl es bereits fundierte theoretische Konzepte gibt, ist die praktische Umsetzung noch eine große Herausforderung. Denn eine solche Kommunikation muss nicht nur zuverlässig und energieeffizient funktionieren, sondern auch verträglich für den menschlichen Körper sein.

Atemluft als Informationsträger

Hier setzt die luftbasierte molekulare Kommunikation an – ein vielversprechender Ansatz, der über deutlich größere Distanzen funktioniert und sich sogar außerhalb des Körpers nutzen lässt. Der große Vorteil: Die nötigen Geräte und Techniken sind bereits verfügbar, sodass praktische Anwendungen in greifbare Nähe rücken. Besonders die Analyse der Atemluft bietet enormes Potenzial. Sie ist nicht-invasiv, nutzt bereits vorhandene kommerzielle Sensortechnologie und lässt sich relativ einfach umsetzen. Unsere Atemluft enthält eine Vielzahl von Molekülen und Partikeln, die Aufschluss über unseren Gesundheitszustand geben können – sogenannte Biomarker für verschiedene körperliche Prozesse und Erkrankungen.

Von der Theorie zur Praxis

Die Forschenden nutzen bewährte Methoden und Modelle aus der synthetischen molekularen Kommunikation, um die Atemgasanalyse zu optimieren. Dabei wird der Mensch zum Sender, die Atemluft zum Informationsträger und makroskopische Sensoren zum Empfänger. Durch die Verbindung dieser luftbasierten Kommunikation mit den natürlichen Netzwerken aus Zellen, Geweben und Organen in unserem Körper könnte ein neuartiges „Internet der biologischen Dinge“ (IoBT) entstehen – eine erste Vorstufe zum Internet der Bio-Nano-Dinge (IoBNT). Die theoretische Studie untersucht ausführlich, wie sich Ausatemluft aus der Perspektive der synthetischen molekularen Kommunikation modellieren und analysieren lässt, und bringt damit diese zukunftsweisende Technologie einen wichtigen Schritt näher an die praktische Anwendung.