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Oliver Röhrle und die Biomechanik des Muskelskelettsystems

Röhrle sorgt an der Universität Stuttgart für mehr Exzellenz in Sachen Biomechanik. Seit 2008 hat er eine der begehrten Juniorprofessuren im Exzellenzcluster Simulation Technology, kurz SimTech. Seine Arbeiten zur Biomechanik des Muskelskelettsystems wurden jüngst mit einem Forschungspreis ausgezeichnet.

Zu Beginn seines Studiums der Wirtschaftsmathematik hätte sich Jun.-Prof. Oliver Röhrle, Ph. D., nicht träumen lassen, dass ihn seine Karriere über mehrere Erdteile und zu den Life Sciences führen würde. Der gebürtige Ulmer suchte nach dem Abi eine Studienmischung mit Mathematik und kam so auf die Wirtschaftsmathematik. „Der Studiengang wurde an der Uni Ulm angeboten und hörte sich einfach interessant an“, begründet der pragmatische Wissenschaftler seine Studienwahl. Dass interessant nicht unbedingt locker ist, erfuhr Röhrle während seiner Promotionszeit in den USA, aber dazu später.

Oliver Röhrle ist nach längeren Forschungsaufenthalten in den USA und in Neuseeland seit 2008 Juniorprofessor im Exzellenzcluster SimTech der Universität Stuttgart. © SimTech

Im Rahmen eines Austauschprogrammes der Universität Ulm war Röhrle bereits während des Diplomstudiums ein Jahr in Milwaukee, Wisconsin. In diesem Jahr befasste er sich schwerpunktmäßig mit Numerik, betrieb Mathematik in ihrer Reinform, noch ohne Anwendungen im Sinn. Er schloss das Auslandsjahr mit einem Mastertitel „made in USA“ ab und kehrte nach Deutschland zurück – wie sich zeigen sollte, nur für wenige Monate. Röhrle beendete in Ulm sein Diplomstudium und tat zunächst das Naheliegende: Er bewarb sich auf klassische Stellen für einen Wirtschaftsmathematiker bei Banken, Unternehmensberatungen und Versicherungen. „Ich hatte bereits einige Aktuarprüfungen bestanden und hätte durchaus als Versicherungsmathematiker arbeiten können“, so Röhrle. Während eines Assessment-Centers wurde ihm jedoch klar, dass es nicht das Richtige für ihn wäre.

In rund vier Jahren von der Wirtschaftsmathematik zur Biomechanik

Da er sich für Ingenieuraufgaben interessierte und andererseits für die Numerik, speziell für die Lösung partieller Differenzialgleichungen, entschied sich Röhrle für die Wissenschaft. Das wurde ihm im deutschen System jedoch nicht leicht gemacht. „Ich hatte hier keine Chance direkt einzusteigen, da ich einige Vorlesungen nicht gehört hatte. In den USA kannte ich zudem das System, beides gab den Ausschlag zur Rückkehr in die USA“, so Röhrle. Drei Kriterien hatte er bei seiner Stellenauswahl: Röhrle suchte speziell nach einer Abteilung für angewandte Mathematik an einer guten Universität und in einer schönen Umgebung. Eine offene Stelle in Boulder, Colorado, kam seinen Neigungen in jeder Hinsicht entgegen. Das erste Jahr verbrachte er hier als Teaching Assistant, die folgenden drei als Research Assistant, bis er August 2008 seinen Ph. D. für Angewandte Mathematik erhielt.

„So unter Druck stand ich seither nie wieder“, erinnert sich Röhrle heute lachend an seine Promotionszeit in den USA. Er musste parallel unterrichten, selbst Vorlesungen besuchen, sich auf Prüfungen vorbereiten und seine Abschlussarbeit schreiben. „Die Prüfungen zum Ph. D. sind in den USA ziemlich anspruchsvoll, in Colorado kommt etwa die Hälfte der Anwärter nicht durch“, so Röhrle zum US-System.

Seinen nächsten Orts- und Tätigkeitswechsel verdankt er einem Zufall und Beziehungen um mehrere Ecken: Die Schwester der Frau seines Doktorvaters Prof. Stephen McCormick lebte in Neuseeland, was dazu führte, dass McCormick häufig dorthin reiste. Als engagierter Wissenschaftler baute er auch gleich Kontakte zur dortigen Scientific Community auf, speziell zu Prof. Peter Hunter vom renommierten Auckland Bioengineering Institute.

Der Reiz der echten Daten

Röhrle befasst sich hauptsächlich mit dem menschlichen Bewegungsapparat, insbesondere mit Modellierungen und Simulationen zu den Skelettmuskeln und der Wirbelsäule, dem Kauapparat (Zahnmorphologie, Implantate, Zunge), Aneurysmen und dem Herzen. © Röhrle, SimTech

Es kam zu einem Gegenbesuch aus dem Neuseeländischen Institut in Boulder, nach dem Röhrle eine Wissenschaftler-Stelle in Auckland angeboten wurde. Es ging um Anwendungen der Numerik in der Biomechanik, ein Forschungsfeld, das Röhrle sehr zupass kam. „Ich wollte nicht in Einheitsformaten, zum Beispiel auf einem Würfel rechnen. Die Biomechanik ist ein Feld, auf dem man Numerik sehr schön anwenden kann, es geht um komplexe, mehrskalige Modelle“, erklärt Röhrle.

Er arbeitete im Rahmen eines Grant für biomechanische Arbeiten im Bereich Zahn- und Kiefermechanik, der ihm viel Freiheiten bot, eine eigene Forschungsnische zu definieren. „Ich hatte mich in der ersten Phase auch mit Knochen befasst, fand dann Weichgewebe jedoch spannender, schließlich bin ich beim Skelettmuskel hängengeblieben“, so Röhrle. Ihm gefiel die interdisziplinäre Arbeit mit Zahnärzten, Ernährungswissenschaftlern und Ingenieuren: „Im Gegensatz zur theoretischen Mathematik konnte ich mich hier mit echten Daten mit tatsächlichem Rauschen auseinandersetzen, das war etwas Neues.“ Röhrle begann in mehreren Kooperationen damit, Bewegungen, etwa am Kiefergelenk, zu modellieren und zu simulieren. Er verglich ein- und dreidimensionale Muskelmodelle, immer auf der Suche nach besseren Simulationen.

Medizin und Fleischwirtschaft – praktische Anwendung hat viele Seiten

Sehr praktisch wurde es auf einem eher exotischen Gebiet: In Kooperation mit einem Fleisch verarbeitenden Unternehmen stellte sich die Frage, wie man Lammfleisch nach dem Schlachten zarter machen könne. „Das hatte durchaus einen wirtschaftlichen Hintergrund, denn mit veredeltem, also zarterem Fleisch, kann ein höherer Preis erzielt werden“, sagt Röhrle. Die Idee war, das Fleisch mit elektrischen Stößen zu behandeln, damit molekulare Verbindungen in der Muskelstruktur aufbrechen. Röhrles wissenschaftlicher Ansatz war, mithilfe von Simulationen zu untersuchen, was aufgrund des elektrischen Stimulus auf Zell- und Muskelebene passiert. „Wir wollten aus systembiologischem Blickwinkel ein Zellmodell generieren und dieses an das mechanische Modell eines Skelettmuskels koppeln“, ergänzt Röhrle. Solche Untersuchungen sind auch humanmedizinisch relevant, wie der Biomechanik-Experte erklärt: Es gibt bereits Ansätze, durch elektrische Stimulation bei Lähmungserscheinungen wieder eine gewisse Funktionalität herzustellen.

Als Röhrle in Neuseeland von der Ausschreibung der Juniorprofessuren für den Exzellenzcluster SimTech erfuhr, sah er eine gute Möglichkeit, seine persönliche Karriere weiter voran zu bringen und gleichzeitig sein Forschungsfeld auf eine breitere Ebene zu stellen. Seit November 2008 arbeitet er in Stuttgart an beidem. Wobei ihn die Verbindung zu Neuseeland nicht los lässt: Seit rund einem Jahr arbeitet Röhrle im Rahmen eines Marie-Curie-Austauschprogrammes mit Wissenschaftlern aus Auckland, aus dem englischen Leeds und Queensland, Australien, zusammen.

Bewegung bis in die zelluläre und molekulare Ebene simulieren

Nach wie vor beschäftigt er sich mit dem Muskelskelettsystem, optimiert die Simulationen, die er von der molekularen, zellbiologischen bis zur makroskopisch-mechanischen Skala abdecken möchte. Neben dem Skelettmuskel interessiert sich Röhrle auch für den Herzmuskel und die Phänomene der elektrischen Erregungsleitung in diesem Organ. Für seine bisherigen wissenschaftlichen Verdienste wurde Röhrle am 18. April in Graz von der GAMM, der Internationalen Gesellschaft für Angewandte Mathematik und Mechanik, mit dem Richard-von-Mises-Preis geehrt. Diese Auszeichnung vergibt die Gesellschaft auf ihrer Jahrestagung. Röhrle erhielt den Preis für seine Arbeiten zur skalenübergreifenden Modellierung im Bereich der Biomechanik mit Anwendung auf die Skelettmuskulatur.

Als Juniorprofessor betreut Röhrle inzwischen eine beachtliche Anzahl von Forschern und Diplomanden, kooperiert eng mit anderen Wissenschaftlern aus dem SimTech-Verbund und etabliert sich als Dozent an der Uni Stuttgart. „Meine Schwerpunkte in der Lehre sind Biomechanik, numerische Methoden in der Biomechanik und die Simulation von Biomaterialien“, fasst der Forscher zusammen. Diese drei Themen bringt er in die ingenieurwissenschaftlichen Studiengänge und ab Herbst auch in den interuniversitären Studiengang Medizintechnik ein, der von den Universitäten Stuttgart und Tübingen gemeinsam durchgeführt wird.

Da er beide Systeme, sowohl das angelsächsische als auch das deutsche, aus eigener Erfahrung und als Lernender sowie als Lehrender kennt, fällt sein Vergleich recht differenziert aus: „Das angelsächsische System in den USA und auch in Neuseeland bietet mehr Raum für den direkten Kontakt zu den Studierenden, zum Beispiel über häufige Sprechstunden. In Deutschland passt das jedoch nicht immer ins System, hier müssen Wissenschaftler deutlich mehr unterrichten und die Studentengruppen sind größer. Als positiv, wenn auch anstrengend, empfand ich die Vorlesungen auf dem Weg zur Promotion, aber in dieser Hinsicht tut sich in Deutschland auch einiges, seit Graduiertenschulen hier immer üblicher werden.“

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