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Innovationsprojekte – Medikamententests, Krebsforschung, Anti-MRSA Wirkstoffe & Haartransplantation



INNOVATIONSPROJEKTE

Body-on-a-Chip vereint „Mini-Organe“ auf kleinstem Raum, um zum Beispiel Medikamententests durchzuführen. Der abgebildete Chip enthält Darm, Leber, Niere sowie die Blut-Hirn-Schranke. Andere Organe, wie Haut, Lunge oder Herz sind ebenfalls bereits in Produktion. Eine Erweiterung des Chips auf zehn Organe ist in Planung.
Body-on-a-Chip vereint „Mini-Organe“ auf kleinstem Raum, um zum Beispiel Medikamententests durchzuführen. Der abgebildete Chip enthält Darm, Leber, Niere sowie die Blut-Hirn-Schranke. Andere Organe, wie Haut, Lunge oder Herz sind ebenfalls bereits in Produktion. Eine Erweiterung des Chips auf zehn Organe ist in Planung.

MENSCHEN AUF DEM CHIP

Bei Medikamententests am Menschen kommt es immer wieder zu gesundheitsschädlichen, zuweilen sogar tödlichen Schäden. Tierversuche wiederum sind ethisch bedenklich und ihre Ergebnisse sind nicht immer auf den menschlichen Körper übertragbar. Miniaturisierte menschliche 3D-Gewebe und Organe aus verschiedenen Zellen, sogenannte Body-on-a-Chip, können in der präklinischen Phase schon Hinweise auf die Verträglichkeit der Wirkstoffe im Menschen liefern, wodurch das Risiko in den klinischen Phasen minimiert werden kann. Es besteht ein Bedarf an in-vitro-Systemen, in denen versorgende Blutgefäße in Kombination mit 3D-Geweben kultiviert werden können und die zudem den physikalischen sowie mechanischen Ansprüchen eines Blutgefäßsystems gerecht werden. Heute gibt es wenige, mikrofluidische Chipsysteme, die allerdings aus eckigen Kanälen bestehen und nicht die gekrümmte Umgebung eines Blutgefäßes bzw. das Strömungsprofil des Blutgefäßes repräsentieren. Die Forschungsgruppe von Prof. Schepers konnte ein dreidimensionales, mikrofluidisches Blutgefäßsystem aus runden, porösen und verzweigten Kanälen durch Mikrothermoformen entwickeln, auf das miniaturisierte 3D-Organe durch 3D-Bioprinting aus menschlichen Zellen aufgedruckt werden können. Durch so entstehende günstige Einwegprodukte können die Kosten der Wirkstoffforschung gesenkt und die Anzahl der Tierversuche minimiert werden.

MIT LICHT GEGEN KREBS

Trotz der Fortschritte in der Behandlung von Krebs gibt es noch immer Probleme mit vielen Chemotherapeutika, wie zum Beispiel Resistenzen oder schwerwiegende Nebenwirkungen durch die gleichzeitige Abtötung von Stammzellen und besonders teilungsaktivem Gewebe. Ebenso bleibt es bei der Strahlentherapie eine Herausforderung, umgebendes gesundes Gewebe nicht zu schädigen. Die photodynamische Therapie ist eine innovative Behandlungsmethode für Krebs auf Basis lichtinduzierbarer Wirkstoffe, sogenannte Photosensitizer. Der Photosensitizer wird dem Patienten in den Blutstrom injiziert und ist für den Organismus zunächst völlig unbedenklich. Erst unter Bestrahlung mit Licht einer bestimmten Wellenlänge entfaltet der Photosensitizer seine toxische Wirkung: Durch lokale Belichtung des Tumors kommt es zur Bildung reaktiver Sauerstoffspezies, die die Tumoren zerstören.

Konventionelle Photosensitizer wie Titandioxid eignen sich allerdings nicht zur Therapie tiefer liegender Tumoren, da sie mit UV-Licht aktiviert werden, welches im menschlichen Körper eine geringe Eindringtiefe besitzt und zellschädigend ist. Photosensitizer, welche mit langwelligerem Licht aktiviert werden, sind daher für die Tumortherapie von äußerst großem Interesse. Die Forschungsgruppe hat lichtempfindliche β-Zinnwolframat-Nanopartikel entwickelt, die im Gegensatz dazu unter physiologischen Bedingungen sehr stabil sind. Da sie mit sichtbarem Licht aktiviert werden, können auch tiefer liegende Tumore behandelt werden.

FLUORESZENZSPRAY GEGEN MELANOME

Das maligne Melanom, der schwarze Hautkrebs, gehört zu den gefährlichsten Krebsarten der Haut. Wird es im fortgeschrittenen Stadium erkannt bestehen kaum Heilungschancen. Wird ein malignes Melanom frühzeitig erkannt, bestehen gute Heilungschancen. Die Früherkennung erfolgt überwiegend durch die chirurgische Entnahme und histologische Untersuchung von entarteten Leberflecken. Diese Methode ist aufwendig und erlaubt nur stichprobenartige Untersuchungen von Patienten.

Eine von Prof. Schepers Produktideen basiert auf der Entwicklung eines Kontaktgels oder eines Sprays zur Ganzkörperbehandlung und der anschließenden Detektion von entarteten Hautpartien mithilfe einer handelsüblichen und preisgünstigen UV-Lampe, die die Fluoreszenz des Farbstoffs anregt und die entarteten Leberflecken sichtbar macht. Nichtaufgenommene Substanz kann vorher durch Abwaschen entfernt werden. Die Idee basiert auf einer von der Forschungsgruppe synthetisierten fluoreszierenden Substanz, die selektiv nur von Zellen des malignen Melanoms aufgenommen wird. Screenings an menschlichen Zellen zeigen weder eine Aufnahme in gesunden Hautzellen noch in anderen Zellen oder Tumoren. 

Das Bild zeigt die Häufigkeit des Nachweises von MSRA in menschlichem Blut. Die Gruppe um Professor Schepers forscht an Wirkstoffen gegen den weit verbreiteten Krankenhauskeim.
Das Bild zeigt die Häufigkeit des Nachweises von MSRA in menschlichem Blut. Die Gruppe um Professor Schepers forscht an Wirkstoffen gegen den weit verbreiteten Krankenhauskeim.

ANTI-MRSA-WIRKSTOFFE

In Deutschland liegt die Zahl der Infektionspatienten bei etwa einer Million pro Jahr, wobei die Zahl der Todesfälle auf bis zu 40.000 gestiegen ist. Ursache dafür ist eine Infektion mit einem der drei häufigsten Krankenhauskeime MRSA, ESBL oder dem Darmkeim VRE. Multiresistente Keime haben sich mit der Zeit an die Anwesenheit von Antibiotika angepasst. Die Zellen entwickeln Strategien, deren Wirkmechanismen auszuhebeln, und reagieren dann nur noch schlecht oder gar nicht mehr auf die Wirkstoffe. Vor allem in Krankenhäusern und Pflegeheimen sind die multiresistenten Keime global vorzufinden. Für die Behandlung multiresistenter Keime, wie beispielsweise Salmonella oder Staphylococcus aureus (MRSA) stehen zunehmend weniger Behandlungsoptionen zur Verfügung. Die Ausbildung und Verbreitung dieser sogenannten Superkeime kann daher derzeit durch herkömmliche Mittel nicht eingedämmt werden.

Prof. Schepers Team hat eine neue Substanzklasse basierend auf fettlöslichen peptidähnlichen Strukturen entdeckt, die eine sehr gute Wirksamkeit gegenüber MRSA zeigen. Anders als bei konventionellen Antiobiotika greifen die Peptidomimetika den bakteriellen Stoffwechsel an, sondern zerstören die Zellmembran des Bakteriums, so dass die MRSA austrocknen. Dadurch werden die Bakterien abgetötet und eliminiert. Eine Resistenzbildung findet nicht statt.

In einer Forschungskooperation hat Prof. Schepers eine Alternative zur schmerzhaften Haartransplantation entwickelt. Diese basiert einerseits auf genetischer Vervielfältigung der Haarwurzeln und andererseits auf einer biologisch abbaubaren Folie, die mit Haarwurzeln bestückt auf der Kopfhaut angebracht und dann schmerlos aufgelöst wird.
In einer Forschungskooperation hat Prof. Schepers eine Alternative zur schmerzhaften Haartransplantation entwickelt. Diese basiert einerseits auf genetischer Vervielfältigung der Haarwurzeln und andererseits auf einer biologisch abbaubaren Folie, die mit Haarwurzeln bestückt auf der Kopfhaut angebracht und dann schmerlos aufgelöst wird.

3D-HAARDRUCK UND HAARTRANSPLANTATION

Allein in Deutschland leiden rund zehn Millionen Männer an Haarausfall und etwa jede dritte Frau ist betroffen. Meist ist die einzige Abhilfe eine Haartransplantation. Dabei entnimmt der Chirurg einen Hautstreifen aus dem Haarkranz am Hinterkopf. Mehrere tausend Haarfollikel befinden sich auf diesem Hautlappen, der nun in kleine Transplantate zerlegt wird. Die einzelnen Haarfollikel werden in kleine Löcher in der Kopfhaut transplantiert, die der Chirurg entweder schlitzt, sticht oder mit einem CO2-Laser brennt. Transplantiert werden oft ca. 3000 einzelne Haare. Diese Prozedur ist sehr schmerzhaft und bei Patienten mit wenig Eigenhaar im Haarkranz nicht durchführbar.

In Zusammenarbeit mit einer Gruppe vom Institut für Technische Chemie hat Professor Schepers ein Verfahren entwickelt, das einen chirurgischen Eingriff umgeht und das die Einsetzung von mehreren tausend Haaren auf einmal erlaubt. Dabei werden dem Patienten aus dem Haarkranz wenige Haarwurzeln durch eine Biopsie beim Hausarzt entnommen. Aus zwei bis drei Follikeln werden dann mehrere tausend Haarwurzeln vervielfältigt. Um diese Follikel in einem einfachen Verfahren auf der Kopfhaut zu platzieren, werden die Zellen mit Hilfe eines neuentwickelten 3D-Laserdruckverfahrens auf eine spezielle Polymerfolie gedruckt, die mit kleinen haarwurzelähnlichen Vertiefungen versehen ist. Die Ränder der Vertiefungen sind chemisch so verändert, dass sie wie ein Klettband wirken, an dem die Haarwurzelzellen haften können. Da es sich um ein Folienmaterial handelt, das biologisch durch ein spezielles Enzym abgebaut wird, können nun mehrere tausend Follikel in einem Schritt ohne einen chirurgischen Eingriff transplantiert werden.

Nach Ablösung der Epidermis durch ein Fruchtsäurepeeling, wie es in der kosmetischen Behandlung von Alterserscheinungen durchgeführt wird, werden die Folien großflächig mit Fibrinkleber aufgeklebt. Nach 48 Stunden ist die Haut regeneriert und die Haarwurzeln eingewachsen. In kurzer Zeit zersetzt sich die Folie in FDA (Food and Drug Registration) zugelassene Produkte.

Sarah Wiegräfe
Referentin NEULAND
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Innovations- und Relationsmanagement (IRM)

Telefon: +49 721 608 22612
E-Mail: sarah.wiegraefe@kit.edu

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