Diabetes mit Elektrotechnik bekämpfen

Schon seit langer Zeit hat sich Typ-2-Diabetes zu einer Volkskrankheit entwickelt. Mit steigender Bekanntheit und Verbreitung des Krankheitsbildes arbeitet auch die Wissenschaft auf Hochtouren an Therapiemöglichkeiten. Obwohl man die Forschung zunächst in der Medizin verorten würde, gibt es auch in der Mikroelektronik Möglichkeiten zur Untersuchung und Behandlung von Diabetes. An einer davon forscht Dr. Zili Yu mit ihrem Team.

Weltweit leiden laut Weltgesundheitsorganisation (WHO) über 400 Millionen Menschen an Typ-2-Diabetes. Die Krankheit wird durch eine unzureichende Insulinausschüttung des Körpers verursacht und wirkt sich auf den gesamten Gesundheitszustand der betroffenen Personen aus. Ihr liegt eine Insulinresistenz zugrunde – das bedeutet, dass Körperzellen auf die Signale des Hormons Insulin unzureichend oder gar nicht reagieren. Die Forschung zu möglichen Untersuchungs- und Behandlungsmethoden des Typ-2-Diabetes finden nicht nur im medizinischen Bereich statt, sondern beispielsweise auch in der Elektrotechnik. Es lassen sich elektrotechnische Verfahren entwickeln, die bei der Untersuchung auf Zellebene helfen und Behandlungsmethoden aufzeigen können.

Dieser Aufgabe hat sich Dr. Zili Yu angenommen. Gemeinsam mit ihrem multidisziplinären Forschungsteam entwickelte die Elektroingenieurin eine Front-End-Elektronik zur Überwachung der Betazellen, die das Insulin im Körper herstellen. Die Elektronik wird zur Untersuchung und Behandlung des Typ-2-Diabetes eingesetzt. Seit neun Jahren arbeitet Dr. Zili Yu am Institut für Mikroelektronik Stuttgart (IMS CHIPS) und ist Abteilungsleiterin im Bereich Sensorsysteme. Im MINT-Interview spricht die Elektroingenieurin über ihren Weg von Hangzhou in China nach Stuttgart, über ihre spannende Arbeit mit der Mikroelektronik und die Herausforderungen, die Frauen in technischen Berufen bewältigen müssen.

Landesinitiative für Frauen in MINT-Berufen: Dr. Yu, Sie haben gemeinsam mit Ihrem Forschungsteam bei den IEEE SENSORS 2021 die Auszeichnung „First Place Best Paper Award“ erhalten. In dem Paper beschreiben Sie die Entwicklung der Front-End-Elektronik, die für die Untersuchung und Behandlung von Typ-2-Diabetes eingesetzt wird. Ist die Forschung an Krankheiten sonst nicht eher in der Medizin verortet? Was hat Sie dazu motiviert, an technischen Entwicklungen zur Behandlung und Untersuchung von Diabetes zu forschen?

Dr. Zili Yu: Eigentlich wird Elektronik schon vielfach in der Medizin zur Erfassung, Regulation, Behandlung usw. angewendet. Der Körper ist eine magische „Maschine.“ Viele Zellen haben nicht nur biologische Eigenschaften, sondern erzeugen auch elektrische Signale. Typische Beispiele sind Elektrokardiogramm-Signale (EKG) des Herzens, Elektroenzephalographie-Signale (EEG) des Gehirns, Elektromyographie-Signale (EMG) der Muskelfasern, usw. Im speziellen Fall der Typ-2-Diabetes-Forschung konzentrieren wir uns auf die sogenannten Betazellen in der Bauchspeicheldrüse, wo Insulin hergestellt wird. Die Betazelle zeigt ein interessantes elektrisches Verhalten. Die Membran der Zelle oszilliert („zittert“) bei unterschiedlichen Frequenzen und Glukosekonzentrationen. Die elektrischen Signale der Oszillation können mit Elektronik erfasst und verarbeitet werden. Eine weitere interessante und wichtige Eigenschaft der Betazellen ist, dass sie bei elektrischer Stimulation mehr Insulin erzeugen können. Solche Eigenschaften der Betazellen lassen uns darüber nachdenken, wie neue Behandlungsmethoden des Diabetes unter Zuhilfenahme der Elektronik entwickelt werden können.

Als Elektroingenieurin entwerfe ich am liebsten Sensorsysteme zur medizinischen Anwendung. In der Vergangenheit entwarf ich die Elektronik zur medizinischen Ultraschall-Bildgebung oder EEG-Überwachungsgeräte für Frühgeborene. Ich glaube, dass diese Arbeit sehr bedeutungsvoll ist. Jetzt habe ich das Glück und die Gelegenheit, am Forschungsgegenstand Diabetes arbeiten zu können. Ich wünsche mir, dass meine Forschung letztendlich zur Förderung der Diabetesbehandlung beitragen und Patienten helfen kann. Das motiviert mich, weiterzumachen.

L. F. i. M.-B.: Wie kann man sich die Technik genau vorstellen? In welchem Maß kann sie bei der Behandlung von Typ-2-Diabetes helfen?

Dr. Zili Yu: Bei gesunden Menschen wird die Glukosekonzentration im Blut direkt von den Betazellen erfasst. Die unmittelbare Insulinregulation entspricht einer sich ändernden Glukosekonzentration perfekt. Bei Patienten mit Typ-2-Diabetes ist diese natürliche Funktion der Regulation herabgesetzt. Man kann die Technik so verstehen, dass Elektronik genutzt wird, um diese Regulationsfunktion wiederherzustellen. Sie kann die Aktivität der Betazellen fortlaufend überwachen, das Glukoseniveau indirekt erfassen und genaue Angaben machen, ob medizinisch eingegriffen werden sollte.

In Bezug auf die zukünftige Forschung bin ich sehr gespannt, ob eine Elektronik entwickelt werden kann, die die Betazellen stimuliert, die richtige Menge Insulin basierend auf der Rückmeldung der überwachenden Elektronik herzustellen. Wenn das gelingt, dann benötigen Patienten mit Typ-2-Diabetes keine Insulininjektionen mehr, sondern nutzen stattdessen ihre eigenen vorhandenen Betazellen in der Bauchspeicheldrüse. Das wird die Behandlungsmethode grundlegend verändern!

L. F. i. M.-B.: Seit neun Jahren arbeiten Sie am Institut für Mikroelektronik Stuttgart (IMS CHIPS) und leiten dort schon seit einiger Zeit eine Abteilung. Wie sieht Ihr Arbeitsalltag aus? Woran forschen Sie momentan?

Dr. Zili Yu: Gewöhnlich arbeite ich parallel an verschiedenen Forschungsprojekten mit verschiedenen Aspekten von Sensorsystemen. Ich koordiniere die Arbeit meiner Kolleginnen und Kollegen in der Abteilung. Ich betreue auch Studentinnen und Studenten, die ihre Abschlussarbeiten an unserem Institut anfertigen. Meine derzeitigen Forschungsthemen sind die Elektronik zur Diabetesüberwachung und auch mechanisch flexible Elektronik, die auf dünne Folie aufgebracht wird.

L. F. i. M.-B.: Welchen Herausforderungen stellen Sie sich bei Ihren Forschungen?

Dr. Zili Yu: Das Entwerfen von Sensorsystemen ist meist multidisziplinär und besitzt ein hohes Niveau an Komplexität, was ein gründliches und umfassendes Verständnis des Sensors, der Front-End-/Back-End-Signalverarbeitung und der Systemeinbindung erfordert. Die Herausforderung ist für uns dabei, dass wir damit fortfahren zu lernen, zu erforschen und die komplexen technischen Probleme mit möglichst einfachen und eleganten Lösungen anzugehen.

L. F. i. M.-B.: Wie sind Sie darauf gekommen, Elektrotechnik zu studieren? Waren Sie bereits als Kind von Technik fasziniert, oder hat sich das technische Interesse erst im Laufe der Jahre entwickelt?

Dr. Zili Yu: Nun, im Jahr 2000, als ich mein Studium an der Zhejiang-Universität in Hangzhou begann, war die Elektrotechnik einer der beliebtesten Studiengänge mit den strengsten Anforderungen zur Einschreibung für Studentinnen und Studenten. Ich musste diese Anforderungen erfüllen, um diesen Studiengang wählen zu können, und ich entschied mich, es einfach zu versuchen. Um ehrlich zu sein, als Studienanfängerin weiß man ja kaum, ob die Entscheidung richtig ist oder nicht. Aber für mich persönlich kann ich nach mehreren Jahren Studium und mit einem gewissen Wissensstand auf dem Gebiet bestätigen, dass dieser Studiengang zu mir passt. Ich liebe das Entwerfen von Elektronik und fühle mich wohl damit.

Als Kind war ich von vielen Dingen fasziniert, z.B. Mathematik, Naturwissenschaften, Technik, Kunst, usw. All diesen Themen ist gemeinsam, dass sie Kreativität erfordern. Das Interesse daran wächst mit der Zeit. Jetzt, nachdem ich schon viele Jahre Elektroingenieurin bin, wird immer klarer, dass viele der Dinge, die mich in meiner Kindheit faszinierten, beim Erstellen von Sensorsystemen miteinander verknüpft werden. Um solch ein System zu erstellen, muss man sich gut in der Mathematik auskennen, viele Naturphänomene verstehen, einen guten technischen Hintergrund haben und Kunstverständnis besitzen.

L. F. i. M.-B.: Sie sind in Hangzhou in China aufgewachsen und haben sehr nahe an Ihrer Heimat studiert. Was hat Sie motiviert, Ihre Heimat zu verlassen? Und wie sind Sie zum IMS CHIPS Stuttgart gekommen?

Dr. Zili Yu: Ja, ich habe die ersten 21 Jahre meines Lebens in Hangzhou in China verbracht. Meine Grundschule, die Mittelschule und die Universität sind alle in der Nähe. Ich hatte das starke Bedürfnis, die weite Welt jenseits meiner Heimatstadt und meines Heimatlandes zu sehen. Kurz vor meinem Abschluss an der Zhejiang-Universität 2005 erhielt ich das Stipendium von Philips Semiconductor, das mich dabei unterstützte, im Master-of-Science-Programm der Mikroelektronik an der Technischen Universität Delft (TU Delft) in den Niederlanden zu studieren.

Dann verbrachte ich fast 8 Jahre an der TU Delft, schloss meinen Master of Science und PhD ab und arbeitete als Postdoc. Mein Übergang von der TU Delft zum IMS CHIPS war reibungslos. Mein Unterstützer Prof. Gerard Meijer an der TU Delft wusste 2012, dass ich aus familiären Gründen nach Stuttgart ziehen würde. Er stellte mich Prof. Burghartz, dem Direktor des IMS CHIPS vor. Ich wurde eingeladen, ein Forschungsseminar im Oktober 2012 zu geben. Am nächsten Tag erhielt ich ein Jobangebot. In meinen über 9 Jahren am IMS CHIPS habe ich immer meine Arbeit genossen und schätze die Kollegialität.

L. F. i. M.-B.: In technischen Berufen sind bis heute leider meist deutlich weniger Frauen als Männer vertreten. Was muss Ihrer Meinung nach getan werden, damit hier eine Änderung erreicht werden kann?

Dr. Zili Yu: Ich glaube, dass die Veränderung mit der jungen Generation beginnen muss. Wir sollten Mädchen und Jungen gleichermaßen den Zugang zu Technikthemen ermöglichen. Ein einfaches Beispiel ist, dass auch Mädchen daran interessiert sein können, mit Lego zu spielen. Eltern sollten auch ihre Töchter solches Spielzeug ausprobieren lassen und nicht automatisch denken, dass dies hauptsächlich für Jungen ist. Ein Sinn für Ingenieurwissenschaften, praktische Fähigkeiten, die Denkweise und das Interesse für Technik werden in der Kindheit entwickelt und verstärken sich von da an.

L. F. i. M.-B.: Gibt es Ihrer Ansicht nach bereits positive Aspekte, die sich in diesem Bereich ergeben haben?

Dr. Zili Yu: Ja, ich nehme Veränderungen wahr. 2013, als ich am IMS CHIPS angefangen habe, war ich die einzige Frau auf unserem Stockwerk in der Entwicklungsabteilung. Jetzt habe ich einige Kolleginnen, die Ingenieurinnen sind und in benachbarten Büros arbeiten. Letztes Jahr, während des MikroSystemTechnik Kongresses (MST Kongress, einer der größten Kongresse auf unserem Gebiet in Deutschland) in Ludwigsburg gab es auch viele Teilnehmerinnen, die ihre Forschungsergebnisse präsentierten.

L. F. i. M.-B.: Sie sind Mutter von zwei Kindern und gleichzeitig in Ihrem Beruf sehr eingespannt. Wie schaffen Sie es, die Balance zwischen Familie und Karriere zu finden?

Dr. Zili Yu: Um die Balance zwischen Familie und Karriere zu finden, braucht man ein sehr gutes Zeitmanagement und Planung. Seit ich Kinder habe, habe ich gelernt, noch effizienter als zuvor zu arbeiten. Ich bin fest davon überzeugt, dass eine Mutter mit einer guten Leistung in ihrem Job auch ein gutes Vorbild für ihre Kinder ist. Nach der Arbeit widme ich die meiste Zeit und Energie meinen Kindern. Es ist kostbare Zeit, sie zu begleiten, sie aufwachsen zu sehen und einen guten Einfluss auf sie auszuüben.

L. F. i. M.-B.: Wie entspannen Sie nach einem langen Arbeitstag?

Dr. Zili Yu: Ich liebe klassische Musik. Ich bin Hobbycellistin in unserem örtlichen Amateurorchester. Außerdem gärtnere ich sehr gern. All das hilft mir dabei, mich zu entspannen und neue Inspiration für die Arbeit und das Leben zu bekommen.

Über Dr. Zili Yu:

Dr. Zili Yu wurde in Hangzhou in China geboren. Sie erhielt 2005 ihren BSc-Grad von der Zhejiang-Universität in China. Danach schloss sie 2007 bzw. 2012 ihren MSc- und PhD-Grad an der Technischen Universität Delft (TU Delft) in den Niederlanden ab. Von 2012 bis 2013 war sie Postdoc-Forscherin an der TU Delft und arbeitete an der Elektronik für medizinischen Ultraschall. Sie trat 2013 in das Institut für Mikroelektronik Stuttgart (IMS CHIPS) ein. Seit 2016 leitete sie zunächst die Abteilung für Systementwicklung und seitdem die Abteilung für Sensorsysteme; dabei konzentriert sie sich auf die Erstellung von Mikroelektronik für verschiedene Sensoranwendungen sowie die Erforschung flexibler Elektronik.

Veröffentlicht: 29.09.2022

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