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Neues Hirnimplantat – ALS, Schlaganfall, Lähmung

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Neues Hirnimplantat – ALS, Schlaganfall, Lähmung – Über 60.000 Elektroden auf einem hauchdünnen Chip entschlüsseln mit Hilfe von KI Bewegungen, Wahrnehmungen und Absichten von Menschen.

Wissenschaftler der Columbia University School of Engineering and Applied Science entwickelten ein hauchdünnes neues Hirnimplantat (BISC), das eine Hochgeschwindigkeitsverbindung zwischen Hirn und Computer herstellen kann.

Ein hauchdünner Siliziumchip schafft eine Gehirn-Computer-Schnittstelle (BCI). Dieser Chip bildet eine drahtlose Verbindung zwischen Gehirn und externen Computern. Das gesamte System nennt sich Biological Interface System to Cortex (BISC).

Das Apparatur wurde in Zusammenarbeit zwischen der Columbia University, dem New-York-Presbyterian Hospital, der Stanford University und der University of Pennsylvania hergestellt.

Mit einem minimalinvasivem Eingriff, einer kleinen Bohrung durch die Schädeldecke, kann das neue Hirnimplantat in das Gehirn eingebracht werden, wie erste erfolgreiche Versuche zeigten.

Die Wissenschaftler erhoffen sich dadurch bei neurologischen Erkrankungen wie Epilepsie die Anfallskontrolle zu unterstützen und bei Schlaganfall, ALS sowie Rückenmarksverletzungen eine Wiederherstellung von motorischen, visuellen und verbalen Fähigkeiten.

Technik des neuen Hirnimplantates

Die meisten computergesteuerten Implantate nehmen viel Platz im Körper ein, der neue Chip ist aber so hauchdünn, dass er Platz zwischen Schädel und Gehirn im Subduralraum findet und auf dem Hirn unter der Schädeldecke aufliegt.

Nicht-penetrierende Elektroden werden in flexible Substrate eingebettet, um die elektrische Aktivität der Hirnoberfläche aufzuzeichnen.

Die drahtlose Gehirn-Computerschnittstelle besitzt 65.536 Elektroden zum Aufzeichnen mit 1024 auswählbaren Kanälen. Die Stromversorgung erfolgt ebenfalls drahtlos. Die gesamte Technik wird in einem einzigen Metall-Oxid-Halbleiter-Substrat integriert.

Durch die drahtlose Verbindung fehlen die bisher benötigten Verdrahtungen bei Hirnimplantaten, die die Implantate unpraktisch und anfällig für Störungen machten.

Das neue Hirnimplantat kann unter der Dura Mater (der Hirnhaut) implantiert mit einer externen Relaisstation kommunizieren.

Taesung Jung, Nanyu Zeng u.a. konnten zeigen, dass das Gerät bei Schweinen 2 Wochen und bis zu zwei Monate bei nicht-menschlichen Primaten zuverlässige Aufzeichnungen aus dem somatosensorischen, motorischen und visuellen Kortex lieferte und Hirnsignale mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung dekodierte.

Die präklinische Untersuchungen im motorischen und visuellen Kortex wurden an der Universität Pennsylvania durchgeführt.

Laut Bijan Pesaran bietet das Miniaturmodell auch Möglichkeiten für neue Technologien wie Licht und Ton, sodass sie in Zukunft auch bei Schwerhörigkeit und Blindheit nützlich sein könnten.

Neues Hirnimplantat – Ethik

Gehirn-Computer-Schnittstellen wie das neue Hirnimplantat bieten eine große Chance für Menschen mit neurologischen Erkrankungen und Behinderungen, wie ALS, schwere Epilepsie, Lähmungen, Rückenmarksverletzungen pp.. In Zukunft könnten sie auch bei Schwerhörigkeit und Erblindung Nutzen bringen.

Wie viele große Forschungen stellen sie aber auch eine Gefahr dar, so kündigte die US-Luftwaffe an, ihren Soldaten Gehirn-Computer-Schnittstellen einzubauen, um sich einen Vorteil im Krieg zu verschaffen, wenn die US-Luftwaffe so durch eine rasante Datenauswertung von Wärme-Bild-Kameras, Sensoren, GPS pp. Ziele der Zerstörung und der Tötung schneller und präziser treffen kann.

Andere wiederum erhoffen sich Vorteile in Ausbildung und Beruf, wenn sie mit einer Gehirn-Computer-Schnittstelle schnell auf Daten zugreifen können. Jeder vierte amerikanische Student würde sich laut Umfrage eine Gehirn-Computer-Schnittstelle einbauen lassen.

Hinzu kommen medizinische Risiken, die jede OP hat, sowie psychologische, soziale und emotionale Risiken, wenn Cyborgs in bestimmten Situationen den homo sapiens überlegen sind z.B. durch das schnelle Abrufen von Daten und Informationen, andererseits das eigenständige Recherchieren, Denken und Lernen nicht mehr beherrschen und dem homo sapiens hier weit unterlegen sein werden.

Bereits heute zeigt sich, wie die Digitalisierung zur Servicewüste und zur Beschäftgungstherapie avanciert sowie zum Abbau der Denkleistung, etwa in Pisa-Studien, aber auch, wenn Medien, Führer und Suchmaschinen Scharlatanerie betreiben und erfolgreich erklären mit hohen Steuerausgaben und Verarmung der Bevölkerung könne das Klima verändert werden oder mit Gehorsam, Plünderung von Betrieben und Krankenkassen sowie Wunderheilern können Infektionskrankheiten ausgemerzt werden.

Quellen:

https://www.nature.com/articles/s41928-025-01509-9

Nervenzellen verantworten Übergewicht und Lust auf Süßes

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Nervenzellen verantworten Übergewicht und Lust auf Süßes, das deckten Wissenschaftler des Max-Planck-Institutes für Stoffwechselforschung auf.

Übergewicht ist ein weit verbreitetes Phänomen in Industrienationen, die über einen Nahrungsmittelüberfluss verfügen.

Durch die ungesicherte Nahrungsaufnahme unserer Vorfahren entwickelte der Mensch die Möglichkeit Fettzellen aufzubauen, um in schlechten Zeiten davon zehren zu können, in Zeiten der Ernteausfälle, im oder nach einem Krieg oder bei anderen Hungerkatastrophen. So sicherte er sein Überleben.

Übergewicht – eine sinnvolle Einrichtung der Natur

Jahrzehntelanger Nahrungsüberschuss nach dem zweiten Weltkrieg in den Industrienationen führte bei vielen Menschen zu einem ungesunden Übergewicht, da Hungersnöte fehlten, in denen Menschen auf das angesammelte Körperfett zugreifen, um das Überleben zu sichern.

Dieser nützliche biologische Mechanismus wurde in den letzten Jahrzehnten in sein Gegenteil gekehrt, sodass viele Menschen an sogenannten „Zivilisationkrankheiten“ leiden, wie Diabetes Typ II, Bluthochdruck, Durchblutungsstörungen, Fetteber, Atemnot pp., die nach derzeitigem Forschungsstand bei vielen Menschen auf den Nahrungsüberschuss und den Aufbau von zu viel Körperfett zurückzuführen sind, häufig in Kombination mit Bewegungsmangel durch vorwiegend sitzende Tätigkeiten.

Nervenzellen verantworten Übergewicht

Nervenzellen verantworten Übergewicht und Lust auf Süßes

Forscher des Max-Planck-Instituts für Stoffwechselforschung fanden nun heraus, dass Übergewicht auf bestimmte Nervenzellen zurückzuführen ist.

Die Forschergruppe untersuchte den Hypothalamus von Mäusen und stellte fest, dass für eine erhöhte Nahrungsaufnahme PNOC/NPY-Nervenzellen verantwortlich sind. Diese Nervenzellen befinden sich auch im Gehirn von Menschen.

Die Forscher stellten das mit Hilfe neuer molekularbiologischer und genetischer Methoden fest, die die Vielzahl an Nervenzellen in Cluster unterteilen können.

Etwa 10% der Nervenzellen besitzen einen Leptin-Rezeptor. Das Hormon Leptin wird im Fettgewebe hergestellt und unterdrückt den Hunger.

Entfernten die Forscher den Leptin-Rezeptor, stellte sich bei den Mäusen kein Sättigungsgefühl ein und sie wurden übergewichtig.

Aufgrund der neuen Erkenntnisse, erhoffen sich die Forscher Medikamente gegen Übergewicht entwickeln zu können.

Die Lust auf Süßes nach dem Essen

Warum bei vielen Menschen nach dem Essen die Lust auf Süßes bleibt und ein Dessert gegessen wird, untersuchte das Stoffwechselzentrum ebenfalls-

Untersuchungen an Mäusen ergaben, dass gesättigte Mäuse wie Menschen noch ein Dessert essen.

Durch Hirnuntersuchungen der Mäuse konnte festgestellt werden, dass für das Sättigungsgefühl ebenfalls Nervenzellen verantwortlich sind, sogenannte POMC-Neuronen, die den Appetit unterdrücken.

Die POMC-Neuronen schütten bei den Mäusen nicht nur Sättigungssignale, sondern auch das körpereigene Opiat ß-Endorphin aus, das auf andere Opiat-Rezeptoren wirkt, die Belohnungssignale ausschütten. Das veranlasst die Mäuse dazu, Zucker zu essen, um die Belohnungssignale zu verstärken. Dieser Schaltkreis wird nur bei Zucker ausgelöst, nicht bei üblicher fettreicher Nahrung.

Wird dieser Weg von den Forschern zum Belohnungssystem blockiert, verzichten die Mäuse auf Zucker, allerdings nur satte Mäusen, hungrige nicht.

Wie reagieren Menschen auf Zucker?

Hirnscans konnten zeigen, dass auch bei Menschen das Belohnungssystem im Gehirn reagierte, wenn sie Zuckerlösung erhielten. Wie bei Mäusen liegen die Sättigungs-Neuronen dicht neben den Opiatrezeptoren.

Aus biologischer Sicht ist dieser Mechanismus sinnvoll, da Zucker in der Natur selten ist, aber schnell Energie liefert.

Die Forscher sehen hier eine Relevanz bei der Behandlung von Übergewicht, es gäbe bereits Medikamente, die den Opiatweg im Gehirn blockieren, aber der Gewichtsverlust durch diese Medikamente ist begrenzt. In Kombination mit anderen Medikamenten, könnten sie allerdings hilfreich zur Bekämpfung des Übergewichts sein.

Quelle: Max-Planck-Institut für Stoffwechselforschung

Diskussion

Nervenzellen verantworten Übergewicht und Lust auf Süßes

Lange Zeit wurde übergewichtigen Menschen unterstellt, dass sie ein Disziplinproblem haben. Hier ist die Forschung inzwischen fortgeschrittener und räumt mit den alten Vorurteilen auf. Körperfett aufzubauen sei evolutionär sogar sinnvoll, um Hungersnöte überleben zu können.

Durch den jahrzehntelangen Wohlstand und den Nahrungsmittelüberschuss in den westlichen Industrienationen, die vorangegangenen Hungersnöte in den Kriegs- und Nachkriegszeiten, entwickelte sich jedoch das Problem des Übergewichts mit entsprechenden körperlichen Einschränkungen und gesundheitlichen Problemen bei vielen.

Da durch jahrelanges Übergewicht das Übergewicht aber bei sehr vielen Menschen durch Diäten und Nahrungsumstellung nicht mehr in den Griff zu bekommen ist, werden derzeit in Deutschland vielen Übergewichtigen Magenverkleinerungen, Schlauchmagen, Diätspritzen oder Medikamente zur Gewichtsreduktion angeboten.

Medikamente und Operationen bergen aber Risiken, die die Risiken des Übergewichts übertreffen können, insbesondere können die Operationen gefährlich werden in Zeiten der wirtschaftlichen und politischen Umstrukturierung und von drohenden sowie bestehenden Kriegen. Diätmedikamente können gefährliche Nebenwirkungen haben, Eiweißpulver und Vitaminprodukte, die operierte ehemals Übergewichtige einnehmen müssen, um ihren Körper ausreichend versorgen zu können, können in der Umstrukturierung von Wirtschaft und Macht sowie im Wirtschaftskrieg oder einem möglichen heißen Krieg in den Regalen von Supermärkten, Drogerien und Apotheken fehlen oder stark überteuert sein.

Hinzu kommt, dass die Forschung trotz der beachtlichen Erkenntnisse das Problem nicht löst. Übergewicht in Zeiten wie diesen, kann im Rahmen durchaus sinnvoll sein, wenn keiner weiß, wohin der Wirtschaftskrieg der EU noch führt, der andere Länder treffen sollte, aber auf die EU zurückfällt und die EU zur Zeit Kriegsvorbereitungen trifft.

Die Forschungen untersuchen nicht, wieso ein Mensch übergewichtig wird, der andere nicht. Das kann viele Ursachen haben, die offen bleiben. Auch sind nicht alle Menschen darauf konditioniert, mit Zucker ihr Belohnungssystem anzuregen, sie wollen kein Dessert, wenn sie satt sind.

Denkanstoß zu den möglichen Ursachen von Übergewicht und Lust auf Süßes

Während des Wirtschaftsaufschwungs in den 70er/80er Jahren wurden viele Kinder gezwungen, ihren Teller aufzuessen, auch wenn sie satt waren, da die Eltern noch Hungersnot in der Kriegs- und Nachkriegszeit erlebt hatten. Führte das zu Beginn noch zu Übelkeit, lernte das Kind mit der Zeit, sein Sättigungsgefühl nicht mehr zu spüren und aß häufig mehr, als es benötigte, was es auch im Erwachsenenalter beibehielt.

In vielen Familien wurde dieses und ähnliches Verhalten weitergegeben an die Nachfolgegenerationen, sodass auch mehrere Generationen nach dem Krieg immer noch Übergewicht entsteht.

Menschen mit viel Lust auf Süßes, die zeitweise oder permanent ihr Belohnungssystem aktivieren wollen, haben möglicherweise wenig andere Möglichkeiten sich zu belohnen, was sie aber lernen könnten.

Weitere Ursachen können zu Übergewicht führen, wenn z.B. einem Säugling immer, wenn er schreit, die Flasche gegeben wird, auch wenn er aus ganz anderen Gründen als Hunger schreit. So lernt der Säugling früh, Probleme mit Nahrung zu kompensieren, statt sie zu lösen.

Weitere Faktoren spielen eine Rolle, da Kinder heute ihre Freizeit häufig vor dem Smartphone, dem PC oder der Spielekonsole verbringen, statt auf dem Spielplatz, im Wald oder auf dem Sportplatz.

Um nicht nur Symptombekämpfung mit Hilfe von Medikamenten oder Operationen zu betreiben, sollte zusätzlich nach den Ursachen geforscht und ein Umgang mit ihnen gefunden werden oder eine Behandlung für sie, da auch genetische Faktoren eine Rolle spielen sollen, auch wenn eine Symptombekämpfung im Einzelfall richtig sein kann, etwa wenn sonst ein Herzinfarkt droht.

Mittel- oder langfristig sollten Kinder aber lernen, ihrem natürlichen Sättigungsgefühl nachgehen zu dürfen sowie ihrem Bewegungsdrang. Das dürfte die beste Vorbeugung gegen ein ungesundes Übergewicht sein, Eltern müssten befähigt werden, ihren Kindern diese Freiräume einzuräumen.

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Weiterführend zur Ernährung:

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Novel Food-Lebensmittel der Zukunft

Der gläserne Patient – Daten sind das neue Öl

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Datenaustausch im Gesundheitssystem

Der gläserne Patient soll Realität werden. Krankenakte, Gen-Datenbank, Sozialdaten und Bürger ID sollen miteinander verknüpft werden können. Im Januar 2025 ist das Anlegen der elektronischen Patientenakte für alle gesetzlich Versicherten in Deutschland geplant.

2020 verabschiedete der Bundestag mit dem neuen Infektionsschutzgesetz §11-§15 IfSG u.a., dass Patienten-Daten für die Landesbehörden frei zugänglich gemacht werden können, für staatliche Organisationen, wie das Robert-Koch-Institut, und weitere Organisationen, wie z.B. die WHO.

HealthData@EU startete im Oktober 2022 als Pilot-Projekt die EHDS-Infrastruktur (Europäischer Raum für Gesundheitsdaten) zur Sekundärnutzung der Gesundheitsdaten. Hier sollen Ärzte, Patienten, Forscher, politische Entscheidungsträger und Unternehmen Zugang zu den Daten der EU-Bürger erhalten. Es soll einen Datenschutz geben.

Im Juni 2023 gründete Deutschland eine EDHS-Koalition, um den EDHS schnell umzusetzen und eine möglichst umfassende Datenbank zu erstellen.

Am 28. Juni 2023 verabschiedete das Europäische Parlament den Data Act, das EU-weite Datengesetz. Der Data Act tritt 2025 in Kraft.

Der Data Act – Gesetz zum Datenaustausch

Der gläserne Patient – Daten sind das neue Öl

In der Presse-Erklärung des Europäischen Parlamentes vom 14.03.2023 heißt es dazu:

„Das EU-Datengesetz („Data Act“) soll Hindernisse beseitigen, die den Zugang von Verbraucherinnen und Verbrauchern und Unternehmen zu Daten behindern. Das fördert Innovationen. 

Der am Dienstag im Europäischen Parlament in Straßburg angenommene Gesetzesentwurf ist die Position des Parlaments für die Verhandlungen mit den EU-Staaten. Das Datengesetz regelt den Umgang mit nicht-personalisierten Daten und soll neue Dienste ermöglichen, insbesondere im Bereich der künstlichen Intelligenz, wo große Datenmengen für das Training von Algorithmen benötigt werden. Die geplanten Neuerungen können auch zu besseren Preisen für Kundendienstleistungen und Reparaturen von vernetzten Geräten führen.

Faire Datenverträge zwischen Verbrauchern und Herstellern 

Die von Menschen und Maschinen erzeugten Datenmengen nehmen exponentiell zu und werden zu einem entscheidenden Faktor für Innovationen in Unternehmen und Behörden, etwa bei der Gestaltung intelligenter Städte. Diese Daten werden auch als „das neue Öl“ bezeichnet.

Das Datengesetz legt Regeln für den Austausch und die gemeinsame Nutzung von Daten fest, die durch die Verwendung vernetzter Produkte wie Windkraftanlagen, intelligenter Hausgeräte oder moderner Autos oder damit verbundenen Dienste im Internet der Dinge erzeugt werden. So sollen faire Verträge über die gemeinsame Nutzung von Daten möglich werden.“

Der Data Act geht weit über die Gesundheitsdaten hinaus. Bisher beteiligen sich Deutschland, Frankreich und Finnland die Gesundheitsdaten ihrer Bürger abzugeben. Auch die Niederlande, Portugal und Großbritannien wollen die Gesundheitsdatenforschung ausbauen.

Genomsequenzierung Deutschland

Datenaustausch in Deutschland

Im Juli 2021 hat die Bundesregierung das Gesundheitsversorgungsweiterentwicklungsgesetz (GVWG) veröffentlicht.

Mit dem neuen Gesetz können jetzt Modellvorhaben zur Gensequenzierung verwirklicht werden.
Die Vorarbeit hierzu leistete die deutsche Genom-Initiative genomDE, die vom Gesundheitsministerium initiiert wurde.

In Deutschland soll zunächst eine Datenbank für die Onkologie entstehen, die genomische und phänotypische Daten aus der Krebsbehandlung verknüpft und so bessere Analysen liefern soll.

Patienten sollen eine genetisch personalisierte Versorgung erhalten, für die Forschung entsteht ein Datensatz, der Zusammenhänge zwischen Genomik und Therapieansätzen finden soll. Es besteht die Hoffnung, mit der Gensequenzierung onkologische Therapieansätze zu verbessern.

Laut Prof. Berlage vom Fraunhofer-Institut seien Gesamtgenomsequenzierungen und eine große Patientenkohorte notwendig, um die Daten sinnvoll auszuwerten.

Es sei eine Dateninfrastruktur notwendig, die es Krankenhäusern, onkologischen Praxen, Laboren und Patienten ermögliche, Daten mitzuteilen.

Eine solche Dateninfrastruktur soll als dezentrales Netzwerk angelegt werden. Zuständig hierfür soll das Bundesinstitut für Arzneimittel und Medizinprodukte (BfArM) sein.

Um das Projekt umzusetzen, sei es allerdings notwendig, sich in die Abhängigkeit von Stakeholdern zu begeben. Das könne laut Berlage nur gelingen, wenn Krankenhäuser und andere Einrichtungen bereit sind, mit Stakeholdern zusammenarbeiten.

Theoretisch könne für die Dateninfrastruktur die elektronische Patientenakte benutzt werden, eine gesetzliche Grundlage hierfür existiere bereits.

Finnland als Vorbild

Der gläserne Patient am Beispiel von Finnland

Für die finnische Datenerhebung wurde Findata gegründet, eine eigene Behörde, die bereits Gesundheitsdaten und Sozialdaten verknüpft. Sie gilt als Vorbild, da auch Deutschland und die EU alle Daten ihrer Bürger zusammenführen wollen.

Finnland beschloss 2019 ein neues Gesetz, die digitale Patientenakte mit Primärversorgung zusammen mit medizinischen Registern, Sozialdaten aller Art und Daten aus epidemiologischen Studien zugänglich zu machen für Forschung, Statistik und Politik.

Zusammengeführt werden diese Daten über eine persönliche Bürger-Identifikations-Nummer, die bereits jeder Finne besitzt und die EU weit sowie weltweit eingeführt werden soll (ID 2020).

Der Data Act ermöglicht das in der gesamten EU.

ID2020 – Das Zusammenführen aller Daten

Vom gläsernen Patienten zum gläsernen Bürger

In der EU ist Finnland Vorreiter beim Erstellen einer Bürger-ID (ID2020), der Zusammenführung unterschiedlicher Daten der Bürger auf einen Blick. Persönliche Daten, Gesundheitsakte, biometrische Daten wie Fingerabdruck und DNA, Finanzen und andere Sozialdaten wie Einkaufsverhalten oder CO2-Verbrauch sollen hier zusammengeführt werden können.

Weltweiter Vorreiter ist China, das bereits mehrere Projekte zum Zusammenführen der Daten hat mit digitalem Geld und verschiedenen Sozialkreditsystemen in der Testphase, um das Verhalten seiner Bürger über die Zusammenführung der Daten zu steuern.

Die Zusammenführung der Daten ließe sich z.B. wie in der Coronakrise durch einen QR-Code auf dem Smartphone verwirklichen, durch den Personalausweis, die Bankkarte oder auch durch ein Hautimplantat, wie es in Schweden zum Teil schon für verschiedene Zwecke verwendet wird.

„Mangel an effizienter Identitätskontrolle koste die Welt dreistellige Milliardenbeträge jährlich. Das will ID2020 ändern. Eine Allianz von Hightech-Konzernen wie Microsoft und Accenture, der Rockefeller-Stiftung, großer Hilfsorganisationen wie Mercy Corps, CARE und der von Bill Gates finanzierten Impfallianz GAVI. Enger Kooperationspartner sei auch das UN-Flüchtlingshilfswerk UNHCR, berichtet Dakota Gruener.“ (Quelle: Leben in der überwachten Gesellschaft, Deutschlandfunk Kultur)

Quelle: Ärztezeitung

Neue Funktionen der CRISPR Cas9 Methode

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Neue Funktionen der Genschere CRISPR-Cas9 entdeckt

Die Genschere CRISPR-Cas9 sorgte für einen Durchbruch in der Gentherapie. Nun haben Forschende neue Funktionen der Genschere entdeckt. CRISPR-Cas9 war die erste Genschere, die ohne Schäden DNA zerschneiden und auch ersetzen konnte. Alte Genscheren schnitten zu ungenau, um sie gezielt einsetzen zu können. 2020 erhielten die Forscherinnen Jennifer Doudna und Emmanuelle Charpentier, zwei Forscherinnen des Max-Planck-Instituts, dafür den Chemie-Nobelpreis.

Die Entdeckung

Jetzt haben Forschende der Universität Bonn und des Universitätsklinikums Bonn (UKB) zusammen mit der Partneruniversität St Andrews in Schottland und dem European Molecular Biology Laboratory in Hamburg neue Funktionen der CRISPR Cas9 Methode entdeckt.

Mit CRISPR Cas9 wehren Bakterien Phagen (Viren, die Bakterien befallen) ab. Wenn die Viren die Bakterien befallen, zwingen sie die Bakterien, die Viren zu vermehren. Als Abwehrmechanismus haben einige Bakterien deswegen die Genschere CRISPR entwickelt. Mit der Genschere finden und zerschneiden die Bakterien die Phagen und machen sie damit unschädlich. Die Bakterien integrieren die so enstandenen Bruchstücke der Viren in ihr Genom. Diese integrierten Bruchstücke dienen den Bakterien als Gedächtnis, sodass der nächste Angriff der Viren schnell erkannt und ausgeschaltet werden kann.

CRISPR sendet zusätzlich Signalmoleküle aus, um ein komplexes Angreifen zu ermöglichen. Die Forschenden haben nun entdeckt, dass diese Moleküle u.a. an ein Protein gebunden sind, namens CalpL, das einen enzymatischen Eiweißabbau durch Spaltung bewirkt. Die neu entdeckte Genschere zerschneidet das Protein CalpT, dabei sichert es ein drittes Eiweißmolekül, das den Stoffwechsel des Bakteriums auf Angriff umstellt, namens CalpS.
Welche Gene CalpS dabei anschaltet, wissen die Forschenden noch nicht. Sie hoffen aber, dass sich die Genschere durch die neue Entdeckung noch vielfältiger gestaltet.

Ähnlich wie die Virenabwehr des Bakteriums funktioniert auch das menschliche Immunsystem, wenn Viren die Zellen des Körpers befallen.

Kurze Geschichte der Genschere CRISPR-Cas9

Chemie-Nobelpreis 2020

Die Grundlagenforschung zur Genschere begann bereits 1989. In den 1990er Jahren verfolgte Francisco Mojica die ersten Spuren der Genschere, er entdeckte ungewöhnliche DNA-Muster in den Chromosen von Mikroben. Mojica entdeckte die CRISPR-Repeats und fand heraus, dass sie zum Stammbaum des Lebens gehören. Um die Jahrtausendwende bekommt CRISPR ihren offiziellen Namen.

Ruud Jansen entdeckte 2002, dass CRISPR und Cas zusammengehören.

10 Jahre dauerte es dann noch bis eine passgenaue Genschere gefunden wurde.

Jennifer Doudna und Emmanuelle Charpentier erhielten schließlich 2020 den Chemie-Nobelpreis für ihre 2012 publizierte Arbeit zur Genschere CRISPR Cas9 mit der sie zielgenau DNA aufspüren, reparieren, aufschneiden und ersetzen können. CRISPR-Cas9 ist die Genschere des Bakteriums Streptokokkus, das mit der Genschere Viren abwehren kann.

Die Entdeckung gab der Genforschung neuen Aufschwung und Hoffnung, mit CRISPR Cas9 zu immunisieren, Krankheiten zu heilen und selbst Schöpfer zu sein.

So immunisierte der chinesische Wissenschaftler He Jiankui mit der Genschere zwei Mädchen gegen HIV, die 2018 geboren wurden.

Chancen und Gefahren der CRISPR Cas9 Methode

Grenzen der Forschung: Neue Funktionen der CRISPR Cas9 Methode

Mit CRISPR Cas9 fanden die Forscherinnen ein Werkzeug, Krankheiten zu heilen, die bis dahin unheilbar waren, wie z.B. die spinale Muskelatrophie, vorausgesetzt der Arzt weiß, welche Teile der DNA die Erkrankungen aufweisen, herausgeschnitten und ersetzt werden müssen.

Wissenschaftler gehen von einem Durchbruch in der Medizin aus, bislang unheilbare Krankheiten wollen sie mit CRISPR Cas9 beheben. Mit der Genschere sei alles möglich, bemerkte kürzlich auch Hendrik Streeck in einem Interview mit der Welt, Krankheiten heilen, aber auch die Augenfarbe bestimmen und vieles mehr sei möglich. An dieser Stelle spricht Streeck die Eugenik an, die mittels Genschere noch weitere Auswüchse annehmen könnte, als mit den Versuchen der Menschenzucht des letzten Jahrhunderts. Designerbabys aus dem Katalog wären möglich, Aussehen, Intelligenz und Charakter könnten frei ausgewählt werden, Erbkrankheiten, Behinderungen und Schwächen ausgemerzt.

Doch ist das so leicht und was ist ethisch vertretbar?

Die 2018 geborenen chinesischen Zwillinge, die mit der Genschere CRISPR Cas9 gegen das HI-Virus immunisiert wurden, mittels einer Mutation des CCR5-Gens, wurden zwar gegen HIV immunisiert, dafür stieg die Anfälligkeit für andere Erkrankungen vermutlich an.

Der chinesische Wissenschaftler He Jiankui hat das Gen CCR5 mittels Genschere funktionsunfähig gemacht, da ein von diesem Gen hergestelltes Protein als Haupteintrittsquelle von HIV in die Zellen gilt. Die Mutation des CCR-5-Gens ähnelt der natürlich auftretenden Mutation D32, die die Lebenserwartung laut Analyse von über 400.000 Datensätzen der britschen Gendatenbank senkt. So zeigten Menschen mit zwei Veränderungen an CCR5 eine deutlich niedrigere Lebenserwartung als Menschen ohne Mutation oder nur einer Mutation an CCR-5. Daraus schlussfolgerten die Forscher, dass auch die beiden Babys eine geringere Lebenserwartung haben könnten. Die Kinder seien durch die Manipulation am Erbgut zwar immun gegen HIV, aber anfälliger für andere Infektionskrankheiten. Die Lebenserwartung sei gesenkt. Die Studie erschien auf Nature.

Immunreaktionen auf CRISPR Cas9 aus Streptokokkus

2018 erschien auf Nature Medicine bereits eine Pilot-Studie, dass Menschen auf das Eiweißmolekül Cas9 mit Abwehrreaktionen reagieren könnten, da es von dem Bakterium Streptokokkus stammt, das der menschliche Organismus als feindliches Eiweiß erkennt. Angina oder Scharlach sind z.B. Streptokokkeninfektionen, die der menschliche Körper natürlicherweise abwehrt.

Erste Untersuchungen deuteten darauf hin, das CRISPR Cas9 ungewollte Erbgutveränderungen auslöst und das Krebsrisiko erhöht.

Die Studie der Charité gab Hinweise darauf, dass ungewollte Immunreaktionen auf Cas9 ausgelöst werden. Im Laborversuch reagierte das Blut von 48 Frauen und Männern mit einer T-Zellen-Reaktion auf das Eiweißmolekül. T-Zellen sind sogenannte Killerzellen im menschlichen Körper, die ein Gedächtnis gegen ihnen bekannte Erreger entwickeln und angreifen, sobald ein bekannter Krankheitserreger auftritt. Diese T-Zellen reagierten nicht nur auf Cas9 aus Streptokokkus, sondern auch auf Eiweißmoleküle anderer Erreger.

Beim Einsatz der Genschere außerhalb des Körpers können die Immunreaktionen vorher geprüft werden, innerhalb des Körpers, was bei vielen Krankheiten nötig ist, kann der Einsatz gefährlich werden, hier wird nach zusätzlichen Methoden geforscht.

Ob neue Funktionen der CRISPR Cas9 Methode ein besseres Sicherheitsprofil ermöglichen, ist noch unbekannt.

Zu den medizinischen Risiken durch CRISPR Cas9, die eine Anwendung nur bei schwersten Leiden rechtfertigen könnten, kommen die ethischen Fragen. Wo sind die Grenzen der Forschung? Was darf Medizin, was nicht? Will der Mensch sich hier zum Gott erheben? Welche Sicherheiten erhält der Bürger?

An den illegalen Erbgutmanipulationen des chinesischen Wissenschaftlers He Jiankui und in der Coronakrise wurde schnell deutlich, wie leicht Menschenrechte, Verfassungen und Medizinrecht außer Kraft gesetzt werden können, wenn nur genug Geld und Macht im Spiel ist.

Weiterführende Literatur:

Generation Gen-Schere: Wie begegnen wir der gentechnologischen Revolution? (#Anzeige)

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Desinfektionsmittel in Böden

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Gefahr von multiresistenten Keimen durch Desinfektionsmittel

Ein Forscherteam der Justus-Liebig-Universität Gießen weist Desinfektionsmittel in Böden in 97% der untersuchten Bodenproben in Hessen nach.

Der politische Maßnahmenkatalog der Bundesregierung während der Coronakrise schrieb jedem Betrieb Hygienevorschriften vor, u.a. die Lokalitäten regelmäßig zu desinfizieren und Händedesinfektionsmittel für alle zur Verfügung zu stellen. Nicht selten wurden Kunden oder Gäste beim Betreten eines Ladens oder Restaurants aufgefordert, sich die Hände zu desinfizieren, obwohl bekannt war, dass es sich bei Covid-19 nicht um eine Schmier-, sondern um eine Tröpfcheninfektion handelt.

Diese Maßnahmen führten laut Forscherteam der JLU Gießen und des hessischen Landesamtes für Naturschutz, Umwelt und Geologie (HLNUG) zu einer erhöhten Tensidkonzentration in Böden. In einer groß angelegten Studie untersuchten sie Bodenproben nach Tensiden, quartären Alkylammoniumverbindungen (QAAV). In 97% der 65 Bodenproben konnte QAAV nachgewiesen werden. Der Gehalt an QAAV überschritt dabei zum Teil Werte von 1 mg kg-1 und liegt damit oberhalb des Wertes, der für Medikamente und Antibiotika nachgewiesen wurde laut Pressemitteilung der JLU. Die QAAVs wurden in allen Bodenproben gefunden, sowohl im Acker, im Weinbau, als auch in Grün- und Waldlandschaften.

Desinfektionsmittel in hessischen Böden

Die Studie

Die Studie von Kai Jansen, Christian, Mohr, Katrin Lügge, Christian Heller, Jan Siemens und Ines Mulder ist auf Sciencedirect erschienen.

Fünfundsechzig Bodenproben entnahmen die Forscher aus verschiedenen Landnutzungen (Ackerland, Grünland, Wald, Weinberg) und Gebietstypen (ländlich, Agglomeration) . Sie wurden auf Konzentrationen von Alkyltrimethylammonium (ATMACs, mit Alkylkettenlängen C8-C16), Benzylalkyldimethylammonium (BACs, C8 -C18) und Dialkyldimethylammoniumverbindungen (DADMACs, C8-C18) über HPLC-MS/MS nach ultraschallunterstützter Extraktion mit angesäuertem Acetonitr untersucht. Das untersuchte Gebiet umfasst insgesamt 21.115 km².

Desinfektionsmittel in Böden und Antibiotikaresistenzen

Problematisch am übermäßigen Einsatz von Desinfektionsmitteln ist, dass sie Antibiotikaresistenzen hervorrufen können.Weltweit sterben laut WHO 1,3 Millionen Menschen jährlich an multiresistenten Keimen. Viele Krankenhäuser sind mit multiresistenten Keimen belastet, da hier viel desinfiziert werden muss. Neben dem Missbrauch mit Antibiotika stehen die QAAVs im Verdacht, multiresistente Keime hervorzubringen.

QAAVs sind kationische organische Verbindungen mit amphiphilen Eigenschaften (wasser- und fettlöslich), die als Tenside und Desinfektionsmittel in Industrie, Haushalt und Landwirtschaft weit verbreitet sind.

In den 1920ern wurden QAAVs aufgrund ihrer desinfizierenden und oberflächenaktiven Eigenschaften schnell bekannt (Domagk, 1935; Hartmann und Kägi, 1928). Bereits 1960 wurden Hinweise auf eine mögliche antimikrobielle Resistenz bei Mikroorganismen, die durch QAAVs induziert wurden, berichtet (Malizia et al., 1960). Seitdem haben mehrere Studien darauf hingewiesen, dass die Exposition gegenüber QAAVs nicht nur zu einer QAAV-Resistenz führt, sondern auch die Resistenz gegen verschiedene Antibiotika fördern kann (Buffet-Bataillon et al., 2016; Gaze et al., 2005; Kim et al., 2018 ; Zeng et al., 2022). Es hat sich gezeigt, dass das Ausgesetztsein gegenüber bestimmten hemmenden Konzentrationen zur Entwicklung von Kreuz- und Koresistenzmechanismen führt, die die Empfindlichkeit von Mikroorganismen gegenüber vieler Antibiotika verringert (Tezel und Pavlostathis, 2011).

Eine toxikologische Untersuchung der QAAVs beschränkte sich bis vor kurzem auf Wasserorganismen, 2021 fanden aber Hriúbec et al. in 80% menschlicher Blutproben QAAVs von 43 untersuchten menschlichen Blutproben, die mit Entzündungen, Störungen der Cholesterinhomöostase (Regelsystem des Cholesterinspiegels) und beeinträchtigter Mitochondrienfunktion (Funktion der Organellen, die maßgeblich zur Energieversorgung der Zellen beitragen) in Verbindung gebracht wurden.

Zeng et al zeigten 2022, dass QAAVs auch in der Muttermilch von stillenden Müttern gefunden wurde.

Die letzten Jahre wurden QAAVs aufgrund ihrer angeblichen Fähigkeit zur Inaktivierung des SARS-CoV-2-Virus vermehrt eingesetzt. (Dewey et al., 2021; Huang et al., 2021). Laut Hora et al. (2020) enthielten 216 der 430 von der US-Umweltschutzbehörde für Hygienemaßnahmen im Zusammenhang mit der COVID-19-Pandemie empfohlenen Desinfektionsmittel BAC, DADMAC oder eine Kombination aus beiden. Der verstärkte Einsatz spiegelt sich in steigenden Konzentrationen in der Umwelt wider. Alygizakiset et al. (2021) berichteten über einen Anstieg von 331 % für Konzentrationen von QAAVs in Abwasserzuflüssen während des ersten Lockdowns. Ein Anstieg der QAAV-Konzentrationen von Staubproben in Innenräumen um 62 % während der Maßnahmen wurde von Zheng et al. untersucht(2020). (Kai Jansen et al., 2022)

Fazit der Studie

Desinfektionsmittel in Böden

Kai Jansen et al. fanden in den allermeisten hessischen Böden quartäre Ammoniumverbindungen, unabhängig von Landnutzung oder Bodentyp.

In Schlemmböden fand sich, wie erwartet, eine Anhäufung von QAAVs während Hochwasserereignissen (Kläranlagen, Abwasser).

QAAVs, die in Acker- und Grünlandböden gefunden wurden, die nicht von Überschwemmungen betroffen sind, wurden laut Studie wahrscheinlich mit organischen Düngemitteln, einschließlich Klärschlamm, und mit Pestiziden verunreinigt

Die Verunrenigung von Waldböden spricht für eine atmosphärische Einbringung der QAAVs, möglicherweise mit Staubpartikeln. Um die Eintrittspfade für Waldböden zu klären, sollten atmosphärische Partikel auf QAAVs untersucht werden.

Die Muster von QAAVs legen eine Persistenz einiger QAAVs in Böden über Zeiträume von mehreren Jahren nahe. Das weit verbreitete Vorkommen von QAAVs in Böden spricht für ihre potentielle Relevanz für die Selektion und Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen in der Umwelt.

Der Abbau von QAAVs sollte unter realistischen Bodenbedingungen untersucht werden, um eine Einschätzung für deren Bedeutung bei der Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen zu bestimmen.

KI für das Zell-Tracking und die Massenspektrometrie

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Forschung: Mark Zuckerberg fördert KI zur Bildanalyse für das Zell-Tracking und die Massenspektrometrie

KI für das Zell-Tracking und die Massenspektrometrie: Laut Leibnitz-Institut für Analytische Wissenschaften (ISAS) fördern Mark Zuckerberg und seine Frau Priscilla Chan die Weiterentwicklung der Dortmunder Bildanalyse-Plattform napari zur besseren Analyse mikroskopischer und biochemischer Aufnahmen. Mit jeweils 20.000 Euro werden die Software zur Bildanalyse des Zell-Trackings als auch die der Massenspektrometrie-Analyse gefördert.

Derzeitige Problemstellung beim Zell-Tracking und der Massenspektrometrie-Analyse

Zell-Tracking

Um z.B. die Bewegung von Tumorzellen besser analysieren und besser einordnen zu können, müssen viele mikroskopischen Aufnahmen gemacht werden. Beim Zell-Tracking werden die Zellen erst segmentiert und dann in einen örtlich-zeitlichen Zusammenhang gebracht. So lassen sich die Migration von Zellen oder die Zellteilung besser erkennen.
Eine automatische Zellverfolgung funktioniert derzeit nur begrenzt und Biomediziner müssen zeitaufwendige Nachbesserungen durchführen. Derzeitige Methoden erzeugen große Datenmengen, die von den Forschenden kaum nachzuvollziehen und auszuwerten sind.

Massenspektrometrie

Bei der Massenspektrometrie erkennen Chemiker Substanzen aufgrund ihrer Masse. Das Massenspektrometer misst das Masse-zu-Ladungsverhältnis m/q von Teilchen und kann so die Art und Menge der vorhandenen Teilchen analysieren. Forschende stellen mit Hilfe des Massenspektrometers z.B. fest, welche Stoffwechselprodukte in welcher Menge vorhanden sind. Biochemiker können so metabolische und zelluläre Auflösungen feststellen, die mit Gewebeaufnahmen verglichen werden können.

Napari-Aufrüstung mit KI für Zell-Tracking und Massenspektrometrie

KI Software für Biomediziner

Um die Daten der Wissenschaftler zu optimieren und sie nicht regelmäßig händisch nachbessern zu müssen, will der Leiter der Nachwuchsgruppe AMBIOM Dr. Jianxu Chen mit seinem Team gemeinsam mit Immunologen am ISAS, dem Universitätsklinikum Essen und der Universität Duisburg-Essen kooperieren. Die geförderte Software.“Human-in-the-Cell-Tracking“ soll die drei Module Segmentierung, Tracking und Analyse enthalten. Um die KI zu trainieren, sollen Wissenschaftler direkt händisch in die Automatisierung eingreifen können, um Fehler der Automatik auszubessern und diese Prozesse in Zukunft zu beschleunigen. Menschliches Eingreifen soll nach dem Training der KI weitgehend überflüssig werden. Die Daten sollen weltweit zur Nutzung für andere Biomediziner zum Abgleich und zur Weiterentwicklung zur Verfügung gestellt werden.

Dr. Prasad Phapale, Chemiker und Leiter von Spatial Metabolomics, will mit dem Plug-In „Biochemical Spectrometry Imaging Data“ die Massenspektrometrie-Daten mit anderen Bildformaten fusionieren, sodass Wissenschaftler weltweit die MSI-Bilder mit Metaboliten-Datenbanken abgleichen können sowie mit weiteren Bildern, etwa aus der Mikroskopie.

Gefördert wird die KI für das Zell-Tracking und die Massenspektronomie vom Bundesministerium für Bildung und Forschung sowie von der Chan Zuckerberg Initiative (CZI).

Forschung: Künstlicher Daumen für Roboter-KI mit Tastsinn

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Künstliche Intelligenz und künstliches Sehen verleihen Robotern einen Tastsinn

Ein künstlicher Daumen mit Tastsinn für Roboter wurde von Wissenschaftlern und Wissenschaftlerinnen des Max-Planck-Instituts in Stuttgart entwickelt. Die flexiblen Sensoren reagieren auf Druck, die so erhaltenen Verformungen des Daumens zeichnet die eingebaute Kamera auf.

Die Hülle des Daumens besteht aus einem formfesten, aber elastischen, verformbaren Kunststoff (Elastomer). Die Kamera kann mit Hilfe der Verformungen ein dreidimensionales Abbild der Kräfte, die auf den Daumen einwirken, abbilden. Durch unterschiedlich starke Kräfte und Winkel des ausgeübten Drucks trainierte das Stuttgarter Team der im Daumen enthaltenen KI so ein tiefes neuronales Netz an.

Wie kann der künstliche Daumen sehen und tasten?

Der Aufbau künstlicher Daumen für Roboter

Der Daumen ist dem menschlichen Daumen nachempfunden, er besteht aus einem steifen Skelett, der Sensor wird aus einem 4 mm dicken Elastomer hergestellt, der rund um das Skelett in Form eines Daumens angebracht wird. Damit der Daumen nicht transparent ist, werden dem Elastomer dunkle Aluminiumflocken beigemischt, die das Licht reflektieren können. Die Lichtmuster werden mit einer Fischaugenkamera aufgezeichnet, die einen Radius von 160° hat. Verschiedenfarbige LEDs im Inneren können so die unterschiedlichen Lichtmuster erzeugen. Anders als beim Menschen ist der Fingernagel die empfindlichste Stelle des Daumens, hier weist der Elastomer nur eine Dicke von 1,2 mm auf. Der Fingernagel kann durch seine höhere Sensibilität selbst kleinste Kräfte und unterschiedlichste Formen erkennen.

Bisherige Sensoren an Robotern waren aufwendig und schwer herzustellen, instabil und wiesen für Feinarbeiten eine zu geringe Sensibilität auf. Für die Arbeit am Menschen oder Tier waren sie deswegen nur bedingt geeignet.

Die Stuttgarter Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen testen den Daumen auch bereits an den ersten Robotern.

Vor- und Nachteile menschenähnlicher Roboter

Roboter und KI im Rahmen der Agenda 2030

Roboter mit Sensoren und KI erleichtern den Menschen bereits heute die Arbeit, so warnen beim Fahren mit modernen Autos die Sensoren vor nahenden Gegenständen oder anderen Autos, um Unfälle zu vermeiden oder Staubsaugerroboter lernen mit Hilfe ihrer Sensoren das Haus oder die Wohnung ihres Besitzers kennen, um sie nach wenigen Trainingsstunden vollkommen abzufahren und zu reinigen.

Sensoren sollen in Zukunft all unsere biometrischen Daten erfassen sowie Bedürfnisse ertasten und damit eine Rundum-Versorgung gewährleisten können, wie es einst im Säuglingsalter die Eltern für ihr Neugeborenes übernahmen. Sie sollen unsere biometrischen Daten erspüren und davon ableiten, was wir für ein Rundum-Wohlfühl-Gefühl oder eine gute Konzentration benötigen und uns diese Bedingungen, wie z.B. die angenehmste Umgebungstemperatur, das Flüssigkeitsbedürfnis pp. steuern und liefern (KI-Ringvorlesung der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz). Die Universitäten Ulm und Karlsruhe entwickeln KIs für Schüler und Studenten, die ihnen im Home-Studium den wissenschaftlichen Austausch, das systematische Lernen und das Recherchieren abnehmen sollen.

Apps sollen Ärzte ablösen, Spahn wollte bereits während der Coronakrise eine App einführen, die Notärzte überflüssig machen sollte, indem sie durch bestimmte Fragestellungen entscheidet, ob jemand ein Krankenhausbett erhält oder nicht. Nur durch den Widerstand der Ärzte wurde diese App (noch) nicht eingeführt.

Pflegeroboter sollen in Zukunft im Rahmen der Agenda 2030 Pflegekräfte ersetzen können, hierfür wäre ein druckempfindlicher, sensorischer Daumen notwendig, um durch KI z.B. zu erlernen, wie viel Druck auf eine Wunde oder beim Waschen angewendet werden kann. Aber auch Haushaltsroboter benötigen einen druckempfindlichen Daumen, um z.B. Getränke einzuschenken und zu überreichen.

Im Rahmen der Coronakrise wurden die Menschen bereits auf minimierte soziale Kontakte vorbereitet und ein erhöhtes Interagieren und Kommunizieren mit digitalen Medien. Das diente nicht nur der Entwöhnung von sozialen Kontakten, sondern auch der Datensammlung, die für eine Beschleunigung der Agenda 2030 notwendig ist.

Jens Spahn wollte bereits während der Coronakrise Notärzte durch Apps ersetzen. Die Apps sollten durch einen Fragenkatalog entscheiden, ob jemand ein Krankenhausbett erhält oder nicht. Krankenhäuser wurden geschlossen oder in die Insolvenz getrieben und Pflegekräfte durch Arbeitsverschärfungen und Mehrarbeit aus dem Arbeitsleben vergrault.

Auch wenn im Rahmen der Agenda 2030 ein Großteil der Arbeitsplätze, insbesondere Arbeitsplätze von Akademikern und besser ausgebildeten Arbeitskräften durch KI und Roboter ersetzt werden sollen, ist es insbesondere im Gesundheitsbereich besonders fatal die Arbeitskräfte bereits jetzt auszudünnen, bevor halbwegs funktionierende Apps und Roboter zur Verfügung stehen. Auch kann ein Roboter, selbst wenn er bereits emotional ausgebildet wird und einfache Gefühle schon erkennen kann, keine sozialen Kontakte oder menschliche Zuwendung ersetzen. Aus psychologischer, soziologischer und pädagogischer Sicht ist es kaum sinnvoll, Menschen auf die Retardierungsstufe eines Säuglings zurück zu katapultieren, wenn sie in Zukunft nicht mehr selbst für ihre Bedürfnisse und Lernerfolge sorgen sollen, sondern ein hochsensorischer Roboter, wie es im Rahmen der Agenda 2030 geplant ist.