Brücke zwischen Biologie und Technik

Dafür nehmen die Forschenden, wie sie selbst es ausdrücken, „alle Bausteine des Lebens“auf der Nano-, Mikro- und Makroebene in den Blick, angefangen von der Erbinformation über die Proteine und einzelne Zelltypen bis hin zu Organen, die untereinander kommunizieren. Ebenso breit gefächert wie das Forschungsprofil sind die potenziellen Anwendungsfelder für die Innovationen, die hier entwickelt werden. Denn egal ob in der Diagnostik, der Therapie oder bei Reha-Anwendungen: Biomedizinische Systeme werden überall gebraucht.

Das zeigt schon ein Blick in die „Antikörper-Werkstatt“ von Prof. Roland Kontermann und auf die therapeutische Antikörper-Landkarte 2022. „Es werden nicht nur immer mehr. Auch die Anwendungen werden immer breiter“, sagt der Experte für Biomedical Engineering am Institut für Zellbiologie und Immunologie (IZI). Mehr als 130 dieser vom Immunsystem produzierten und für den Einsatz im Menschen designten Proteine sind nach seinen Worten inzwischen als Medikamente für den Kampf gegen Krebs, entzündliche Erkrankungen, Stoffwechselstörungen, Infektionen oder auch neurodegenerative Erkrankungen zugelassen, viele weitere befinden sich in der klinischen Erprobung – maßgeschneiderte Arzneimittel, wie sie auch im Labor des IZI entwickelt werden.

Ein aktuelles Beispiel ist das Molekül „Atrosimab“. Es schaltet Proteine, die das Entzündungsgeschehen bei Krankheiten wie Rheuma auslösen und immer wieder neu ankurbeln, zielgerichtet und nebenwirkungsfrei aus. Das für die Entzündungen maßgeblich verantwortliche sogenannte Zytokin TNF hat zwei Rezeptoren, an die sich ein Antikörper binden kann, um sie zu neutralisieren. Neben dem entzündungsfördernden gibt es auch einen, der zum Beispiel die Entartung von Zellen oder das Wiederaufkeimen von Tuberkulosen verhindert. Mit „Atrosimab“, das gerade in der ersten klinischen Phase erfolgreich erprobt wurde, schaffen es die Forschenden jetzt, gezielt nur die krankmachende Andockstation anzusteuern und auszuschalten.

Zukunftsweisende Ansätze bei Tumortherapien

Neue Wege geht das Team vom IZI auch in der Therapie von soliden Tumoren wie zum Beispiel Brust- oder Darmkarzinomen. Der Einsatz von Antikörpern hat sich hier inzwischen etabliert, auch in Kombination mit anderen Therapien, ist aber herausfordernder als zum Beispiel bei der Therapie von Leukämien und Lymphomen. Denn das Gewebe solider Tumoren ist sehr komplex, die Zellen sind schwer zugänglich. Und kein Tumor gleicht dem anderen. Antikörper können ihn bislang auf drei Arten attackieren. Sie können den Zelltod der Tumorzellen herbeiführen, die Versorgung des Tumors mit Blutgefäßen blockieren oder die Immunabwehr aktivieren. Ein sogenanntes Antikörper-Wirkstoff-Konjugat (AWK), also ein Antiköper, der chemisch mit Wirkstoffen gekoppelt ist, zielt jetzt auf das sogenannte Tumorstroma und damit auf eine vierte Sollbruchstelle. Immerhin rund 90 Prozent eines Tumors können aus diesem Bindegewebe bestehen.

Am Institut für physikalische Chemie (IPC) der Universität Stuttgart entwickelt Biomediziningenieur Dr. Tian Qiu mit seiner Forschergruppe „Biomedizinische Mikrosysteme“ die Krebsbehandlung aus einem anderen Blickwinkel weiter. Im Rahmen seines vom European Research Council (ERC) geförderten Projekts VIBEBOT arbeitet er an einem Mikroroboter, der menschliches Gewebe durchdringen soll, um zum Beispiel Chemotherapeutika präzise an die richtige Stelle eines Tumors zu bringen. „Verabreicht man solche Arzneimittel oral oder intravenös, erreicht in der Regel nur rund ein Prozent der Dosis ihr Ziel“, erläutert der Wissenschaftler. „Der Rest verteilt sich irgendwo im Körper und verursacht Nebenwirkungen.“

Qiu vergleicht die Medikamenten-Trucks gerne mit Fischen im Netz. Um durch die Maschen zu schlüpfen, müssen sie entweder klein genug oder in der Lage sein, das Netz zu zerstören. Um das zu erreichen, orientiert sich der Bioingenieur an Vorbildern aus der Natur. Einen ersten Durchbruch hat das Team dabei bereits erzielt. Inspiriert vom Kolibakterium ist ein 500 Nanometer kleiner Roboter entstanden, der durch das Gewebenetz eines Augapfels „schwimmen“ kann. Gesteuert wird dieser „Nanopropeller“ durch ein Magnetfeld. Sein Ziel ist die Netzhaut, wo er Medikamente platziert. Für die Behandlung von Augenkrankheiten, die in der Regel mittels schwer dosierbarer und nur langsam wirkender Tropfen erfolgt, ist das im Schweineauge erfolgreich erprobte Verfahren ein echter Fortschritt.

Im Gegensatz zum Augapfel haben andere Weichteile ein dichteres Polymernetzwerk und sind schwerer zu durchdringen. Erforderlich ist daher ein stärkerer Roboter mit einem anderen Design. Den rund 100 Mikrometer großen VIBEBOT, das Akronym steht für „Vibrational Microrobot“, wollen die Forschenden nach dem Vorbild eines anderen Mikroorganismus bauen: dem Pärchenegel. Dieser Parasit kann mithilfe seiner vibrierenden Bewegungen binnen weniger Minuten in die menschliche Haut eindringen. „Ein ähnliches System brauchen wir, wenn wir biologisches Gewebe durchdringen wollen“, sagt Qiu. Aber wie navigiert man eine solche Minimaschine drahtlos und kontrolliert durch den Körper? Wie konstruiert man den Antrieb? Wie kann der Mikroroboter fühlen? Und wie kann man ihn zuverlässig lokalisieren? Mit diesen Fragen werden sich Qiu und sein Team in den kommenden fünf Jahren beschäftigen. Klar ist für ihn jedoch schon jetzt: „Unsere Forschungen haben ein riesiges Potenzial, auch schwer erreichbare Regionen im Körper wie zum Beispiel im Gehirn minimalinvasiv zu behandeln“.

Minimalinvasive Methoden sind in der Chirurgie und Orthopädie schon bei vielen Erkrankungen und Verletzungen State of the Art. Die Projekte im Potenzialbereich „Biomedizinische Systeme“ zeigen aber auch, wie viel Luft nach oben und wie viel Forschungsbedarf es noch gibt. Zum Beispiel im Konsortium „EndoPrint3D“. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der Physik, Biotechnologie und den Ingenieurwissenschaften haben sich viel vorgenommen: „Wir entwickeln gerade gemeinsam den kleinsten 3-D-Drucker der Welt“, berichtet Verbundkoordinatorin Andrea Toulouse. Er soll auf eine Nadelspitze passen und aus biogenen, das heißt dem Körper bekannten Materialien wie Kollagen oder Hyaluronsäure zerstörtes Gewebe im Körper „nachdrucken“ – etwa um Teile einer Bandscheibe oder ein Ohrknöchelchen wiederherzustellen oder kleinste Löcher in der Herzscheidewand von Embryonen zu schließen. Das Verfahren soll Verletzungen schnell und so präzise heilen, dass das umliegende Gewebe möglichst geschont wird.

Der Drucker befindet sich am Ende eines Glasfaserendoskops, das einen Durchmesser von einem Millimeter hat. Er ist mit einem modifizierten Ultrakurzpuls-Laser verbunden, der in der Arbeitsgruppe von Prof. Harald Gießen am 4. Physikalischen Institut eingesetzt wird. Dieser Laser härtet die mikrofluidisch zugeführte „Biotinte“ aus. An der verletzten Stelle wird damit die extrazelluläre Matrix nachgebaut, welche als feines Gewebegeflecht die für die Regeneration notwendigen Zellen aufnehmen kann. Als „Klettergerüst“ bezeichnet dies Michael Heymann, Juniorprofessor am Institut für Biomaterialien und Biomolekulare Systeme.

Atrosimab, OMTX705, VIBEBOT und EndoPrint3D sind nur ein paar Beispiele aus dem großen Portfolio der exzellenten Forschung im Potenzialbereich. Um sie zu orchestrieren, setzt Koordinatorin Monilola Olayioye vor allem auf eines: viel Kommunikation. „Wenn man mit diversen Teams wissenschaftliche Erfolge erzielen und gemeinsame Produkte entwickeln will, braucht man eine gemeinsame Sprache.“ Und einen langen Atem: Bis zu 15 Jahre hat das IZI-Team gebraucht, um seine neuen Antikörper in die Erprobung am Menschen zu bringen. Tian Qiu wiederum schätzt, dass es – optimistisch gerechnet – mindestens ein Jahrzehnt dauern wird, bis die Nano- und Mikroroboter, die in den Laboren des IPC gebaut werden, sich im Patienten in Bewegung setzen können. „Vieles ist möglich und auch im klinischen Alltag auch schon angekommen“, sagt Prof. Olayioye. „Aber wir müssen auch weiterdenken und am Ende intelligente Systeme entwickeln, die nicht nur personalisierbar, sondern auch einfach konstruiert, adaptierbar und bezahlbar sind.“

Autorin: Jutta Witte