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Friederike J. Gruhl – Die Biologie reicht nicht immer aus

Wie Krebs entsteht und gedeiht, können Forscher oft nur in Tiermodellen untersuchen, denn außerhalb des Körpers verlieren viele menschliche Zellen ihre typischen Eigenschaften. Dr. Friederike J. Gruhl vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist dabei, eine biomimetische Umgebung in der Petrischale zu modellieren, in der sich die Zellen aus der Prostata wohl fühlen und je nach Bedarf manipuliert werden können, etwa in Richtung Krebsentstehung. Das dreidimensionale Prostata-Modell wird Einblicke in die Komplexität des Organs erlauben. Gruhl hat im Verlauf ihrer Arbeit den Horizont der Biologie erweitert.

Laut Deutscher Krebshilfe erkranken in unserem Land rund 67.000 Männer jährlich an Prostata-Krebs, rund 12.000 jährlich sterben daran. Die beim Menschen unterhalb der Harnblase sitzende Drüse ist ein Organ, das einen Teil der Spermienflüssigkeit produziert und aus mindestens drei verschiedenen Zelltypen besteht. Freilich haben Forscher es hier nicht mit der Komplexität des Gehirns zu tun, und doch sind die zellulären und molekularen Prozesse, die zwischen den verschiedenen Zelltypen und dem extrazellulären Raum im Gewebe der Prostata ablaufen, viel zu schlecht verstanden. Was bringt die Zellen zum Beispiel auf die schiefe Bahn in Richtung Krebs? Wie entstehen Metastasen?

Mikrostrukturtechnik und Biosensorik

Dr. Friederike J. Gruhl. © privat

„Experimente in Mäusen und Ratten haben zwar viele Erkenntnisse über die normale und die gestörte Entwicklung der Prostata zutage gefördert, aber das Organ eines Nagetiers unterscheidet sich erheblich von dem des Menschen“, sagt Dr. Friederike J. Gruhl vom Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). „Experimente mit humanem Gewebe sind unabdingbar, sowohl in der Grundlagenforschung, als auch, wenn es zum Beispiel um die Suche nach möglichen Medikamenten geht.“ Gruhl entwickelt gerade ein In-vitro-System, das ein dreidimensionales Modell der Prostata werden soll. Es geht ihr darum, mit Hilfe künstlich hergestellter 3D-Trägermaterialien eine Umgebung zu schaffen, in der Prostatazellen sich verhalten wie im menschlichen Körper. „Hierfür reichen die traditionellen Methoden der Zellbiologie nicht aus“, sagt die Forscherin.

Während ihrer Diplomarbeit im Rahmen des Biologiestudiums an der Universität Karlsruhe drang die 1980 in Karlsruhe geborene Gruhl tief in die molekularen Vorgänge der Zellen sich entwickelnder Embryonen ein. Die Biologie war und ist die Grundlage ihrer Arbeit. Was aber ihre heutige Forschung im Besonderen ausmacht, ist das Interesse an technischen Aspekten und deren Schnittpunkten mit der klassischen Biologie. Zwischen 2007 und 2010 fertigte sie eine Doktorarbeit im Bereich der Biosensorik am Institut für Mikrostrukturtechnik an. Hier kam sie im Alltag in Kontakt mit Physikern, Chemikern und Ingenieuren. In ihrem Promotionsprojekt suchte sie nach Techniken, spezifische Marker für Brustkrebs im Blut oder Serum von Patienten nachzuweisen. Hierfür mussten Hydrogele (wassergesättigte Polymergele) verwendet werden, deren Oberfläche modifiziert und mit Antikörpern gekoppelt werden konnte. „Ein hoch interdisziplinäres Feld“, sagt Gruhl. „Aber genau das wollte ich, denn mir ging es darum, die traditionellen Methoden der Biologie zu hinterfragen und zu erweitern.“ Und damit gehört sie zu den interdisziplinär denkenden Wissenschaftlerinnen, ohne die moderne Forschung heute nicht mehr vorstellbar ist.

Schwammartige Grundsubstanz zum Wohlfühlen

Verschiedene Hydrogele, in denen sich in Zukunft menschliche Prostatazellen ansiedeln könnten. © Dr. Friederike J. Gruhl.

Die Entwicklung von Hydrogelen und von Techniken zur Oberflächenmodifikation von Polymeren stellt auch heute einen entscheidenden Teil ihrer Arbeit dar. Die Grundlage einer dreidimensionalen Zellkultur von Prostatazellen ist die Kombination der künstlich erschaffenen Umgebung mit der natürlichen sogenannten extrazellulären Matrix. Dieses Netz aus Proteinen und langkettigen Kohlenwasserstoffen bildet in jedem Gewebe eines Organismus eine Art schwammartige Grundsubstanz, in der Zellen sich anordnen, bewegen und miteinander kommunizieren. Die Matrix ist chemisch gesehen sehr vielschichtig, bietet nicht nur Halt und Struktur, sondern enthält zum Beispiel auch molekulare Bestandteile, die als Positionssignale für Zellen dienen können. „Verschiedene Versionen einer solchen Umgebung haben wir in den letzten Monaten aus künstlichen Polymeren aufgebaut“, sagt Gruhl. „Und nun wollen wir untersuchen, unter welchen Bedingungen sich einzelne Prostata-Zelltypen darin am wohlsten fühlen.“

Die poröse, schwammartige Grundstruktur eines Hydrogels im Mikroskop. © Dr. Friederike J. Gruhl.

Die rund fünf Millimeter dicke Schicht aus Hydrogelen, deren schwammartige Grundstruktur nicht nur im Mikroskop, sondern zum Teil auch mit dem bloßen Auge erkennbar ist, könnte für Grundlagenforscher viele Vorteile bieten. So wäre sie wie schon erwähnt eine Alternative zu Tierversuchen. Zum anderen ist sie praktisch. Die Zellen lassen sich anfärben, im Fluoreszenzmikroskop beobachten, und aufgrund der geringen Größe (1 - 2 cm im Durchmesser) wären sogar automatisierte Hochdurchsatzexperimente in der Pharmaindustrie denkbar.

„In den letzten Monaten konnten wir zeigen, dass unsere biomimetischen Gele eine gute Umgebung für Fibroblasten darstellen, die sich auch in anderen Zellkultursystemen leicht kultivieren lassen“, sagt Gruhl. „Ob sich die anspruchsvolleren Prostatazellen ebenfalls wie gewünscht kultivieren lassen, müssen wir nun in den nächsten Monaten herausfinden.“ Beginnend mit einem einzigen Zelltyp aus der Prostata wollen Gruhl und ihre Mitarbeiter verschiedene Parameter variieren, wie etwa die Menge der gleichzeitig kultivierten Zellen, die Dauer der Kultivierung oder die Zusammensetzung des flüssigen Nährmediums, mit dem die Zellkultur versorgt wird. Schritt für Schritt sollen dann mehrere Zelltypen auf einmal zusammengebracht werden.

Ein Diagnosegerät und Kanäle für kleinste Flüssigkeitsmengen

Neben der Entwicklung des Prostata-Modells, das jetzt vom Land Baden-Württemberg für die nächsten drei Jahre gefördert wird, beschäftigt sich Gruhl weiterhin mit der Biosensorik. In diesem Bereich entwickelt sie gerade in Kooperation mit einem Industriepartner ein Diagnosegerät für die Klinik, mit dem Krankheitsmarker im Blut oder Serum von Patienten im Konzentrationsbereich von Nano- oder sogar Pikogramm pro Milliliter gemessen werden können. Ein weiteres Interessengebiet der Biologin stellt die Mikrofluidik dar. „Der Umgang mit kleinsten Flüssigkeitsmengen wird sowohl im Biosensor- als auch im Prostata-Modell-Projekt Anwendung finden“, sagt Gruhl. „Dort stellt sich nämlich zum Beispiel die Frage, wie man eine Probe zum Sensor bringt, oder wie man die Zellen in der Kulturschale mit Nährmedium oder mit löslichen Signalstoffen versorgt. Die Entwicklung von mikrofluidischen Kanälen ist für beide Bereiche denkbar.“

Der interdisziplinäre Bereich, in dem Gruhl sich aufhält, hat großes Zukunftspotenzial. „Anfangs bin ich gelegentlich auf Stirnrunzeln gestoßen, wenn ich mit fachfremden Kollegen gesprochen habe“, erinnert sich die Forscherin. „Aber heute ist die Interdisziplinarität aus unserer Arbeit hier am IMT nicht mehr wegzudenken.“

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/friederike-j-gruhl-die-biologie-reicht-nicht-immer-aus