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Universität Würzburg Organe aus der Retorte

| Autor / Redakteur: Marcel Roske, Dominik Schwab / Peter Reinhardt

Es klingt einfach und bleibt bislang doch eine Wunschvorstellung: neue Organe aus den eigenen Zellen von Patienten nachzubauen und so schwere Erkrankungen oder Verletzungen zu heilen. Eine Forschergruppe in Würzburg hat nun Systeme entwickelt, mit denen diese Vision schneller in Erfüllung gehen könnte.

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Automatisierungstechnik und Bioreaktor fürs Tissue Engineering sind eng miteinander verzahnt.
Automatisierungstechnik und Bioreaktor fürs Tissue Engineering sind eng miteinander verzahnt.
(Bild: Siemens)

Wer Würzburg hört, denkt vielleicht zuerst an die imposante Residenz oder an die Weinberge, die bis in die Stadt reichen. Würzburg ist aber nicht nur eine Stadt der Kultur und des Weins, sondern auch eine Stadt der Wissenschaft: Die Universität Würzburg gehört zu den ältesten Universitäten im deutschsprachigen Raum und war schon immer Wirkungsort zahlreicher renommierter Forscher – so etwa von Wilhelm Conrad Röntgen, der hier 1895 die nach ihm benannte Röntgenstrahlung entdeckte.

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Heute wird in den klassizistischen Gebäuden der Universität am Röntgenring womöglich wieder ein Stück Wissenschaftsgeschichte geschrieben: Am Lehrstuhl für Tissue Engineering und Regenerative Medizin von Prof. Heike Walles forschen gleich mehrere Teams daran, wie sich neues Gewebe und sogar komplette Organe aus menschlichen Zellen generieren lassen.

Klingt wie Science Fiction, wird aber wahr

Eines der Ziele dieser Arbeiten ist, daraus Implantate herzustellen, um auch Patienten mit sehr schweren Erkrankungen oder Verletzungen helfen zu können. Dafür leitet Dr.-Ing. Jan Hansmann am Lehrstuhl von Heike Walles die Nachwuchsgruppe Electronic-Tissue Interfaces. Gemeinsam mit seinem Team erforscht er die Entwicklung und Herstellung solcher Implantate: „Kern der Arbeiten an unserem Institut ist, dass wir menschliche Zellen in eine spezielle, dreidimensionale Matrix einbetten und sie dort zur Reifung bringen. Dadurch können wir verschiedene Gewebetypen erzeugen, zum Beispiel ein komplettes Stück Haut mit Dermis, Epidermis, Hornschicht und Blutgefäßen, oder auch Darm- oder Lungengewebe mit den entsprechenden Blutgefäßen und Oberflächen.“

Ein neues Organ aus der Retorte? Was wie aus einem Science-Fiction-Film klingt, lässt sich in einem der Labore des Instituts heute schon in Augenschein nehmen. In kleinen Inkubatoren sind dort spezielle Reaktoren in einer kontrollierten Umgebung untergebracht, in denen die jeweiligen Gewebe heranreifen – beispielsweise eine kleine Lunge. „Es genügt leider nicht, die Zellen einfach in eine Petrischale zu geben und abzuwarten“, erklärt Hansmann. „Wichtig ist, dass man eine geeignete Matrix auswählt, die die richtige Struktur und Biochemie hat. Wir setzen als Plattform die so genannte Biovasc ein, eine Matrix aus verschiedenen Proteinen, die zwei Vorteile besitzt: Sie enthält keine Stoffe, die später Immunreaktionen auslösen können, und sie stellt schon wichtige Oberflächenmoleküle bereit, die die Einbettung der Zellen erleichtern und die Gewebeentwicklung fördern – sozusagen ein ideales Nest für die Zellen.“

Automatisierungslösung unterstützt die Forschung

Gerade bei komplexeren Implantaten wie Lunge oder Haut ist es wichtig, dass die Gewebe bereits während der Reifung zusätzliche Stimuli erhalten, damit sie sich angepasst an ihre späteren Aufgaben und Umgebungen entwickeln. Das können mechanische Belastungen wie Druckschwankungen durch die Simulation der Blutzirkulation oder der Atmung sein, aber auch physikalische oder chemische Reize, die in den Bioreaktor eingebracht werden.

Für die Reifung und Differenzierung der Zellen ist es wichtig, dass der Bioreaktor und das Organ, Implantat oder Gewebe perfekt zusammenpassen. Deswegen werden Bioreaktor und Zell-modell in Würzburg gemeinsam entwickelt – erst mit In-silico-Modellen, also am Rechner, später als echte Bioreaktoren mit der entsprechenden Regelungstechnik. „So können wir die Pumpen, Motoren und Sensoren im Inkubator entsprechend ansteuern, damit wir solche biologischen Vorgänge optimal anregen. Eine Lunge braucht beispielsweise den Reiz durch die Atmung und eine Hornschicht bildet sich nur aus, wenn das Hautgewebe der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Luft ausgesetzt ist“, erklärt Hansmann.

Für die Automatisierung der Inkubatoren und der Bioreaktoren setzt das Team auf eigenes Know-how und auf bereits bewährte Technologie von Siemens. Jeder Inkubator ist mit einem Simatic HMI Comfort Panel ausgestattet, über das sehr komfortabel Messwerte aufgerufen, analysiert und alle Systeme im Inkubator bedient werden können.

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