Wie Miniatur-Durchflusssensoren die subkutane Medikamentenverabreichung revolutionieren

Die Covid-19-Pandemie hat das Bedürfnis nach digitalisierten und patientenzentrierten Lösungen im Gesundheitswesen beschleunigt. Die zunehmende Nachfrage nach Selbstverabreichung der Therapiemedikation sowie die Errungenschaften der Biotechnologie und Präzisionsmedizin verleihen der intelligenten Medikamentenüberwachung (Smart Drug Tracking) einen neuen Fokus. Durch die Integration von Miniatur-Durchflusssensoren in tragbare Geräte erreicht die subkutane Arzneimittelverabreichung zum Vorteil von Patienten, Ärzte, Pflegepersonal, Pharmaunternehmen und dem Gesundheitssystem die nächste Entwicklungsstufe.

Intelligente Injektoren, Infusionspumpen oder digitale Pillen – die digital unterstützte Verabreichung von Medikamenten revolutioniert die Medizin- und Pharmaindustrie und beschleunigt die Entwicklung der Selbstverabreichung der Therapiemedikation in rasantem Tempo. Der demografische Wandel führt zu einer Zunahme von Patienten mit chronischen Krankheiten und einem entsprechend steigenden Bedürfnis an digitalisierten Therapiemethoden für die häusliche Pflege.

Digitalisierungstrends tragen zur Entlastung des Gesundheitssystem bei, das schon vor der Covid-19-Pandemie unter Pflegenotstand litt. Seit dem Ausbruch der Pandemie hat sich der Wandel zur Selbstverabreichung der Therapiemedikation im Gesundheitswesen weiter beschleunigt.

Covid-19 beschleunigt patientenzentrierte Versorgung

Die Pandemie hat Krankenhäuser auf der ganzen Welt vor grosse Herausforderungen gestellt. Geplante Eingriffe und Therapien wurden aufgrund von Bettenknappheit, überlastetem Personal und aus Angst vor Infektionen ausgesetzt. Die Patienten mieden Arztpraxen und Krankenhäuser und wichen, soweit möglich, auf Angebote der Telemedizin aus.

Das Gesundheitssystem muss jedoch nicht nur hinsichtlich künftiger Pandemien überdacht werden. Als wichtige Voraussetzungen für die Zukunft gelten die Reduktion von Krankenhausbesuchen für Routineuntersuchungen und von ambulanten Behandlungen chronisch kranker Patienten ebenso wie die Effizienzsteigerung des medizinischen Personals, um Behandlungskosten zu senken. Digitale Helfer spielen dabei eine wichtige Rolle, indem sie die Zusammenarbeit zwischen Pflegepersonal, Ärzteschaft und Management optimieren, und durch die Überwachung der Medikamentenverabreichung und Behandlung zusätzliche Sicherheit bieten. Zudem wird eine vermehrt datengestützte Interpretation von Behandlungsplänen und eine schnellere Reaktion auf sich verändernde Patientenzustände ermöglicht.

Die Erfahrungen aus der Covid-19-Pandemie werden die Entwicklung moderner medizinischer Lösungen weiter beschleunigen und Barrieren abbauen. So werden neue mobile oder tragbare Geräte es den Patienten erlauben, ihre Krankheiten sicher zu Hause zu behandeln und dabei individuellere und flexiblere Behandlungsoptionen auszuwählen und sich aus der Ferne unterstützen zu lassen.

Aus wirtschaftlicher Sicht ist die Digitalisierung mit sinkenden Kosten für elektronische Komponenten verbunden. Dies reduziert nicht nur die Preise für neue Geräte, sondern ermöglicht es den Medizintechnik-Herstellern gleichzeitig, neue Funktionen zu entwickeln und zur Verfügung zu stellen. Ein Beispiel dafür ist die direkte und dokumentierte Rückmeldung über die Therapie, die Patienten und Ärzten Auskunft über die laufende Behandlung geben. So ist es nur eine Frage der Zeit, bis die elektronische Patientenakte (electronic health record EHR) über Krankenhausbehandlungen und Diagnosen künftig auch in der Therapiebegleitung zu Hause obligatorisch wird.

Ein weiterer Faktor sind die zunehmenden Tendenzen bei den Krankenversicherern den Nachweis der Anwendung oder Wirksamkeit von Therapien und Arzneimitteln für eine vollständige Bezahlung oder Erstattung einzufordern (z. B. für Geräte zur kontinuierlichen Überdruckbeatmungsunterstützung - CPAPs). Intelligente Inhalatoren, die das Atemflussprofil der Inhalation und die erfolgreiche Dosierung messen, können beispielsweise bereits nachweisen, dass das Medikament korrekt eingenommen wurde. Insgesamt tragen digitale Daten wie diese dazu bei, das Internet der medizinischen Dinge (IoMT) zum Nutzen von Patienten, Pflegekräften und Kostenträgern auszubauen.

Biopharmazeutika als treibende Kraft

Ob personalisierte oder partizipative Patientenversorgung: Präzisionsmedizin und Fortschritte in der Biotechnologie wirken sich auch auf die Trends der Selbstbehandlung aus. Im Vergleich zu herkömmlichen Arzneimitteln ermöglicht der Einsatz von Biopharmazeutika oft eine gezieltere Behandlung mit weniger Nebenwirkungen.

Im Gegensatz zu chemisch synthetisierten Arzneimitteln werden Biopharmazeutika aus komplexen Strukturen, von Mikroorganismen, Säugetierzellen oder Pflanzenextrakten gewonnen. Dazu gehören beispielsweise Proteine, welche die Bildung von Blutzellen anregen, aber auch Insulin oder Antikörper, die das Wachstum von Krebszellen hemmen. Diese Arzneimittel verbessern auch die Chancen auf Heilung anderer, bisher unheilbare Krankheiten wie Autoimmunerkrankungen, Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Diabetes oder neurologische Störungen.

Allerdings haben Biopharmazeutika noch immer eine geringe Akzeptanz, da sie parenteral verabreicht werden müssen. Aufgrund der Grösse der Moleküle ist die gängigste Verabreichungsart die intravenöse Infusion. Die Verabreichung grösserer Mengen erfordert klinische Unterstützung, was bedeutet, dass die Therapiekosten zu den bereits hohen Produktionskosten dazukommen.

Ein weiterer Nachteil ist die aufwendige Handhabung grossvolumiger und zähflüssiger Formulierungen, zu der herkömmliche Geräte nicht in der Lage sind. Einige neue Medikamente erfordern ein spezifisches Timing, was den Startzeitpunkt der Verabreichung oder die Durchflussrate betrifft, andere liegen in gefriergetrocknetem Zustand vor und müssen rekonstituiert werden. Um diese mit der Verabreichung verbundenen Herausforderungen zu bewältigen, sind neue Mechanismen der Verabreichung von Arzneimitteln notwendig.

Vernetzte Geräte: grossvolumige Injektoren

Seit einigen Jahren ersetzen Grossvolumen-Injektoren (large-volume injectors LVI) – auch On-Body-Delivery-System, Patch-Pumpen oder auch wearable drug delivery devices genannt – die intravenöse Infusion durch eine subkutane Injektion. Sie sind weniger schmerzhaft in der Anwendung und ermöglichen es den Patienten, chronische Erkrankungen zu Hause selbst zu behandeln. Vor allem vorgefüllte Medikament-Gerät-Kombinationen bieten eine bequeme und zuverlässige Alternative zur ambulanten Behandlung.

Aufgrund der hohen Medikationsvolumen und Viskositäten muss die Abgabe von Biopharmazeutika kontrolliert, dokumentiert und nachverfolgt werden. Automatische Arzneimittelabgabesysteme mit Durchflussraten von 1,5 bis 300 Millilitern pro Stunde gewährleisten eine kontinuierliche Arzneimittelabgabe über einen bestimmten Zeitraum. Grossvolumen-Injektoren ermöglichen auch den Einsatz von gefriergetrocknetem Arzneimittel, die sich die Patienten kurz nach Rekonstituierung selbst verabreichen müssen.

Tragbare intelligente Injektoren

  • ermöglichen es Patienten, sich Therapeutika zu Hause selbst zu verabreichen
  • ermöglichen die Überwachung der Therapie in Echtzeit und von überall
  • reduzieren Aufwand und Kosten für Patienten, Gesundheitsdienstleister und Versicherer

Anspruchsvolles Gerätedesign

Der Markt für Grossvolumen-Injektoren im Bereich der Nicht-Insulin-Arzneimittel wird in diesem Jahrzehnt voraussichtlich rasant wachsen. Über 50 tragbare Produkte und mehr als zehn Medikament-Geräte-Kombinationen mit hoher Aufnahmekapazität sind entweder bereits auf dem Markt verfügbar oder in der Entwicklung. Unabhängig davon, ob die Geräte ein Medikament enthalten oder nicht, steht die Arzneimittelindustrie vor vielen Herausforderungen bei der Entwicklung: Verbesserung der Handhabung von viskosen Formulierungen und Optimierung der Benutzerfreundlichkeit – wobei die Geräte klein und die Kosten möglichst niedrig gehalten werden müssen. Daher bestehen die meisten Grossvolumen-Injektoren aus Einweg- und wiederverwendbaren Teilen, was ökologisch sinnvoll ist. Während die Batterie, der Motor, die Ausleseelektronik, das Konnektivitätsmodul und das Display zu den wiederverwendbaren Komponenten gehören, sind die Nadel, das Medikamentenreservoir, das Pflaster und die benetzten Sensoren Einwegteile.

Wie die jüngsten Entwicklungen auf dem Markt gezeigt haben, können Grossvolumen-Injektoren auch für bereits existierende Medikamente entwickelt werden. Auch wenn das Patent eines Medikaments ausläuft, wie z. B. bei Neulasta von Amgen im Jahr 2015, kann die Verfügbarkeit eines neuen tragbaren Injektionsgeräts die Lebensdauer des Medikaments verlängern und sich positiv auf das damit verbundene Geschäft auswirken. Neue Strategien für das Lebenszyklusmanagement in der Medizintechnik und der Pharmaindustrie können so neue Einnahmequellen schaffen.

Kosteneffiziente Einwegsensoren in Miniaturgrösse

Da es verschiedene Biopharmazeutika mit unterschiedlichen Eigenschaften gibt, müssen Injektoren jeweils individuell eine zuverlässige, präzise Funktion und einen hohen Bedienungskomfort gewährleisten. Bisher haben sie die Geräte mit visuellen, akustischen oder taktilen Indikatoren für die Nadelpositionierung und die Anbringung am Körper ausgestattet. Selbst Fehlerfälle wie verstopfte Leitungen oder Nadeln können bis zu einem gewissen Grad erkannt werden, allerdings derzeit nur auf indirekte Weise, wodurch die Möglichkeit von Fehlalarmen oder Nichtdetektion besteht.

Noch wichtiger ist die direkte Messung des Durchflusses und der verabreichten Mengen sowie die bidirektionale Messung, die mit herkömmlichen Sensoren bis anhin nicht möglich ist. Mit den Sensorlösungen von Sensirion können miniaturisierte Einweg-Flüssigkeitsflusssensoren in Grossvolumen-Injektoren integriert werden. Mit ihnen lässt sich die subkutane Medikamentenabgabe in Echtzeit regeln, überwachen und nachverfolgen. Sie stellen sicher, dass die Dosierung in der genauen Durchflussrate sowie des verabreichten Volumens erfolgt. Zudem sind sie in der Lage, verstopfte Kanülen oder Luftblasen direkt und ohne Mehrkosten zu erkennen.

Integriert in einen vernetzten Grossvolumen-Injektor können diese Sensoren der nächsten Generation nicht nur die Verabreichung durch den Patienten über eine Smartphone-App überwachen, sondern auch die Kommunikation, z. B. über Telemetrie, mit den an der Versorgung des Patienten beteiligten Personen wie Familienmitgliedern erleichtern. Pflegepersonal und Ärzte erhalten Daten über die Verabreichung oder den Status des Geräts, und auch Pharmaunternehmen und Krankenversicherungen können diese Informationen für die Forschung beziehungsweise den Nachweis der erfolgreichen Verabreichung nutzen. Programmierbare Funktionen können zudem den Prozess der subkutanen Medikamentenverabreichung anpassen oder optimieren. Kurz: Der Einsatz eines winzigen intelligenten Sensors verbessert das Therapieergebnis, die Therapietreue des Patienten und seine Lebensqualität und Sicherheit. Miniatur-Durchflusssensoren tragen den Markttrends Rechnung und bieten ein hervorragendes Preis-Leistungs-Verhältnis.

Miniatur-Durchflusssensoren ermöglichen es den grossvolumigen Injektor

  • die Durchflussrate direkt und bidirektional zu messen, um das verabreichte Flüssigkeitsvolumen in Echtzeit zu überwachen
  • die Funktionalität laufend zu überwachen und Fehler zuverlässig zu erkennen
  • als vernetzte Lösung zu funktionieren und die Therapieüberwachung und -nachverfolgung für alle Beteiligten zu gewährleisten

Sensor, Pumpe und mehr

Schliesslich wird bei der Entwicklung von Grossvolumen-Injektoren empfohlen, den Durchflusssensor und den Pumpmechanismus ganzheitlich zu betrachten. Um das ideale Design des Durchflusssystems in Bezug auf Grösse, Leistung, Integration, Herstellbarkeit und Kosten zu ermitteln, sollten die Hersteller medizinischer Geräte stets die bestmögliche Kombination aus Pumpe und Sensor anstreben.

Oft wird die Pumpentechnologie zuerst und unabhängig vom Durchflusssensor ausgewählt, vor allem bei speziellen Anforderungen oder wenn Schutzrechte geistigen Eigentums von Geräteherstellern involviert sind. Die Kombination einer im Vorfeld ausgewählten Pumpe mit einem Durchflusssensor stellt insbesondere dann eine Herausforderung dar, wenn die Pumpleistung durch den Sensor weiter verbessert werden soll und der Sensor zusätzliche Aufgaben wie Fehlererkennung und Ausfallsicherheit übernehmen soll. Das Funktionsprinzip der Pumpe, ihr Strömungsprofil und ihre Konstruktion sowie ihre fluidischen Anschlüsse können dies weiter verkomplizieren.

Sensirion hat ihre umfassende Erfahrung auf dem Gebiet der Durchflusssensorik in einer Designstudie unter Beweis gestellt. Dabei wurde ein Miniatur-Durchflusssensor mit einer Einweg-Mikropumpe von Quantex Arc kombiniert. Das Ergebnis war ein äusserst kompakter Durchflussregler, der einen gleichmässigen Durchfluss bei verschiedenen Flüssigkeitsströmungen gewährleistet und sehr wenig Energie verbraucht.

Die Technologie von Sensirion funktioniert auch mit Pumpen anderer Hersteller. Da es sich lediglich um eine Konzeptstudie handelt, besteht Raum für weitere Optimierungen und Anpassungen, auch im Hinblick auf unterschiedliche Geräteanforderungen. Wir stehen am Anfang einer spannenden Reise! Haben Sie ein spannendes Projekt und möchten Teil der Geschichte werden? Kontaktieren Sie uns.

Testdesign

Die leichte Reihenpumpe CS-3 mit Barb-Anschlüssen beim Ein- und Auslass für das einfache Anbringen von Schläuchen ist ideal für die präzise Mikrodosierung mit Durchflussraten bis zu 100 Millilitern pro Stunde. Mit einer Grösse von nur gerade 0,5 cm3 (12 x 6 mm) zeichnet sich der Durchflusssensor von Sensirion durch Millisekunden-schnelle Reaktionszeiten und eine sowohl direkte als auch bidirektionale Messung aus.

Related sensors