Freistaat Thüringen unterstützt Hightech-Forschung des iba Heiligenstadt

Die regenerative Medizin, ein etwa 25 bis 30 Jahre altes Teilgebiet der Biomedizin, beschäftigt sich mit der Heilung von Erkrankungen entweder durch die Wiederherstellung funktionsgestörter Zellen, Gewebe und Organe oder durch ihren biologischen Ersatz. Das Spektrum der diagnostischen und therapeutischen Anwendungen reicht dabei von der Behandlung von Diabetes über Krebs, Herz- und Kreislauferkrankungen bis hin zu Knorpel-, Knochen- und Hauttransplantationen. Zu ihrer Realisierung bedient man sich z.B. der Anregung körpereigener Regenerations- und Reparaturprozesse, insbesondere aber auch der künstlichen, extrakorporalen Züchtung von körpereigenem Gewebe und Organen, dem sogenannten Tissue Engineering. Vorteil dabei ist die Verwendung patienteneigenen („autologen“) Gewebes, das nach Transplantation keine immunbedingten Abstoßungsreaktionen hervorruft. Die Therapieansätze haben längst die Schwelle zum klinischen Einsatz überschritten, und die neuere Forschung setzt zunehmend auf die Nutzung von Stammzellen.

Das Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik (iba) in Heiligenstadt arbeitet bereits seit vielen Jahren in unterschiedlichen Forschungsprojekten intensiv auf diesem Gebiet und entwickelt u.a. neue Materialien und Verfahren für das Tissue Engineering.

Besondere Aufmerksamkeit bedarf dabei das sehr empfindliche, humane Zellmaterial, für das sowohl spezielle Kultivierungsmethoden als auch die entsprechenden technischen Systeme zur Kultivierung entwickelt werden müssen. So ist es in der Vergangenheit im iba z.B. schon gelungen, aus Stammzellen der Maus im Reagenzglas schlagende Herzzellen auszudifferenzieren, was für die besonders hohe Qualität des Kultivierungssystems spricht.

In den letzten Jahren hat man darüber hinaus immer mehr die Erkenntnis gewonnen, dass bei Kultivierung der Zellen deren direkte Umgebung, die sogenannte extrazelluläre Matrix, einer Art Stützgewebe der Zelle, eine herausragende Bedeutung zukommt. Zum einen werden das Wachstum und die Ausbildung der Zellen und des Gewebes selbst dadurch beeinflusst, zum anderen aber auch ihre Wechselwirkung untereinander und ihr Stoffwechsel, was sich zum Beispiel auf das Wachstum und die Reaktion von Tumoren und die Ausbildung von Metastasen erheblich auswirkt.

Was nach Zukunftsmusik klingt, wird im iba seit einigen Jahren intensiv erforscht. Das Ziel der gegenwärtig laufenden Arbeiten sind Produkte, die sowohl als Mini-Implantate an schwer zu heilenden Defekten wie Knorpel-Knochenschäden eingesetzt werden oder als Modellgewebe bei der Entwicklung neuer Krebstherapeutika helfen können. Mit den durch das Thüringer Ministerium für Wirtschaft, Wissenschaft und Digitale Gesellschaft bereitgestellten Mitteln können nun die Wissenschaftler des Instituts, insbesondere die Mitarbeiter des Fachbereichs Biowerkstoffe unter Leitung von Prof. Dr. Klaus Liefeith, noch intensiver an miniaturisierten dreidimensionalen (3D) Stützstrukturen forschen, mit deren Hilfe eine Nachbildung von Geweben des Menschen möglich ist.

Der Freistaat Thüringen fördert in zwei Projekten mit insgesamt mehr als 900 T€ sowohl die Anschaffung eines hochmodernen 3D-Druckers, der die Herstellung bisher nicht realisierbarer medizinischer Stützstrukturen mit hochaufgelösten Details ermöglicht, als auch die Installation eines Hochleistungsrechners, mit dem die computergestützte Modellierung von Prozessen möglich wird, die im Körper ablaufen und die Ausgangspunkt für Krankheiten sind.

Im Rahmen der künftigen iba-Forschung wird die durch den neuen 3D-Drucker ermöglichte Bio-Druckmethode („Fused Deposition Modeling“) mit einer am iba für biologische Anwendungen etablierten 3D-Druckmethode, der sogenannten Zweiphotonenpolymerisation kombiniert. Diese Kombination ist in ihrer Art international bisher einzigartig und ermöglicht die Herstellung von Mikrostrukturen als Trägermaterialien mit unterschiedlichen Eigenschaften für in-vitro-Untersuchungen zur Tumorprogression und Tumortherapie.

Hochleistungsrechner haben sich heute zu einem wichtigen Hilfsmittel der Systembiologie entwickelt. Der neue Hochleistungsrechner des iba wird in einem Rechencluster zusammen mit der Technischen Universität Ilmenau genutzt und besitzt mit 5 x 10^12 (eine Million mal eine Million) FLOPS (Floating Point Operations Per Second) gegenüber einem normalen PC eine etwa 1000 mal höhere Rechenleistung. Damit gehört er zwar nicht zur ganz hohen Leistungsklasse, aber er gestattet im iba erstmals mittels des sogenannten High-Performance-Computings die realitätsnahe Modellierung und Simulation von Lebensprozessen der Mikrobiologie, beispielsweise die Simulation von Infektionen, die durch mikroorganismische Biofilme ausgelöst werden. So liefert er Berechnungsmöglichkeiten für präzise Voraussagen in Diagnostik und Therapie, um Patienten künftig optimal versorgen zu können. Im iba dient er darüber hinaus der Simulation von Strömungsprozessen und elektrischen Feldern im Zusammenhang mit der Untersuchung und Vermessung von Zellen und Gewebe. Auf dieser Basis können Experimente geplant und vorab am Computer durchgespielt werden, was schneller zu besseren Ergebnissen führt und auch die Zahl der benötigten Laborexperimente minimiert.

„Das Institut ist natürlich hocherfreut, diese Gelder zur Verfügung gestellt zu bekommen“, betont Professor Beckmann, Direktor des iba, „denn sie wurden im Wettbewerb mit vielen anderen Wissenschaftlern und Institutionen eingeworben“. Wir sind unserem Thüringer Wissenschaftsministerium aber auch sehr dankbar für die Bereitstellung dieser Gelder, weil sie unsere strategischen Zielstellungen der nächsten Jahre sehr stark voranbringen und weil sie uns forschergruppenübergeifende Vorlaufforschung ermöglichen“, betont er weiter.

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