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Praxisbericht: die Verknüpfung von Biologie und Verfahrenstechnik

Wenn das Umfeld stimmt und auf beiden Seiten der Wille zur Zusammenarbeit da ist, entsteht aus dem Miteinander von Biologen und Ingenieuren Spitzentechnologie. Ein Beispiel dafür sind die Bioreaktoren aus der Abteilung für Zellsysteme am Fraunhofer Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart.

Aha-Effekte gab es zu Anfang reichlich und zwar auf beiden Seiten, erinnert sich die IGB-Abteilungsleiterin Prof. Dr. Heike Mertsching. Das hat mittlerweile zwar nachgelassen, aber speziellen Erklärungs- und Diskussionsbedarf gibt es immer wieder, wenn Biologen und Ingenieure am IGB die Entwicklung von Bioreaktoren vorantreiben. Mertsching nennt ein Beispiel, das in der Anfangszeit für Missverständnis sorgte: „Wenn wir Biologen von einer Matrix sprechen, meinen wir damit ganz selbstverständlich das Trägermaterial für die Gewebe im Bioreaktor. Ingenieure jedoch verstehen unter einer Matrix eine mathematische Struktur, auf der sie Prozesse aufbauen. Die Folge war, dass wir zunächst aneinander vorbeiredeten, ohne es zu überhaupt zu merken.“

Solche fachsprachlichen Hürden sind es aber nicht alleine, die eine Kombination der Wissensgebiete erschweren. Die Herangehensweisen sind oft ganz verschieden, wie Mertsching weiß: „Die Ingenieure haben zum Beispiel ein Lasten- und Pflichtenheft nachgefragt, in dem festgehalten ist, was ein Gerät können muss, welche Parameter zugrunde liegen und welche Abweichungen bei welchen Werten noch tolerabel sind. Das waren wir als Biologen nicht gewohnt.“ Trotzdem: Die permanente Auseinandersetzung mit einer anderen Denkweise und anderen Forschungsstrukturen empfindet Mertsching inzwischen als äußerst bereichernd, zumal sie die Erfahrung gemacht hat, dass daraus eine fruchtbare Zusammenarbeit entsteht.

Ein Wissenschaftler (stehend) und eine Wissenschaftlerin (sitzend) vor einem PC.
Mit dem rechnergestützten Bioreaktorsystem des Fraunhofer IGB kann unter physiologischen Bedingungen der Blutfluss des menschlichen Körpers durch ein Organ simuliert werden. (Foto: Prof. Dr. Heike Mertsching, Fraunhofer IGB)

Gegenseitiger Nutzen steht im Vordergrund

„Die Biotechnologie ist ein Gewinn für die Verfahrenstechnik und umgekehrt“, ist sich Mertsching sicher und der Erfolg ihrer eigenen Projekte bestätigt das. Als die auf die Entwicklung von Zellsystemen spezialisierte Biologin von der medizinischen Fakultät der Uni Hannover nach Stuttgart wechselte, war ein Hauptgrund das gute verfahrenstechnische Umfeld, nicht nur am IGB selbst, sondern auch an der benachbarten Uni Stuttgart. „Wir waren mit unseren biologischen Methoden so weit, dass die technische Umsetzung anstand. Hier sah ich deutlich bessere Chancen dafür als in meiner alten medizinisch geprägten Umgebung“, so Mertsching.
Ob Trachea, Darm oder Leber, alle drei am IGB entwickelten 3D-Modelle basieren auf dem gleichen Modul, das für die jeweiligen Anwendungsbereiche weiterentwickelt wurde. Der Bioreaktor ist im Grunde ein Brutschrank, in dem gezüchtetes Gewebe computergesteuert von Medien durchflossen wird. Um die Situation im Organismus authentisch simulieren zu können, muss das Gewebe vaskularisiert, also mit einem Gefäßsystem versehen werden, das den Austausch von Nähr- und auch Wirkstoffen mit den Medien gewährleistet. Das war eine der größten Herausforderungen für Mertschings interdisziplinäres Team.

Entwicklung von Bioreaktoren erfordert multidisziplinäre Unterstützung

Der Leberreaktor ist inzwischen so weit entwickelt, dass er als Testsystem für die Wirkung von Medikamenten auf den Menschen genutzt werden kann. „Die Gewebezüchtung ist so weit standardisiert, dass wir in einem Drei-Wochen-Zeitraum stets ein gleichartiges Gewebe entwickeln können. Außerdem ist die Steuerungs-Software inzwischen so ausgefeilt, dass wir zum Beispiel auch Herzrhythmusstörungen oder hohen Blutdruck simulieren können“, erklärt Mertsching. In Zukunft sollen noch komplexere physiologische Bedingungen wie Stressphasen beim Patienten simuliert werden, um zu untersuchen, ob und wie sich die Wirkung von Medikamenten dabei ändert.
Fotographie des am Fraunhofer IGB entwickelten Bioreaktors.
Die am Fraunhofer IGB entwickelten Bioreaktoren sind Hauptbestandteil von vaskularisierten In-vitro-Testsystemen. (Foto: Prof. Dr. Heike Mertsching, Fraunhofer IGB)
Zurzeit stehen für die Bioreaktoren Validierungen an, die ebenfalls nur mit interdisziplinären Teams geleistet werden können. „Zuerst müssen wir uns fragen, was an dem System überhaupt validierbar ist und welche Aussagen stichfest sind. Ein wichtiger Punkt ist natürlich auch, die Korrelation mit der In-vivo-Situation zu untersuchen“, sagt Mertsching. Parallel dazu denkt die Wissenschaftlerin bereits weiter, will den jetzigen Stand der Bioverfahrenstechnik in ihrem Labor um einen wichtigen Schritt voran bringen, nämlich in Richtung Automation. Die Bioreaktoren sollen automatisch einen programmierten Wirkstofftest durchlaufen. Hierfür arbeitet Mertschings Team mit dem IPA, dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung zusammen, das ebenfalls in Stuttgart beheimatet ist.

Die Automatisierung stellt Mertsching vor neue Herausforderungen: „Die Ingenieure sagten uns, dafür bräuchten sie eine Materialflussanalyse, wiederum etwas, womit wir Naturwissenschaftler uns noch nicht befasst hatten. In der Biologie geht man einfach gesagt so vor, dass man eine Biopsie in den Brutschrank hinein gibt und ein Gewebe herausbekommt.“ Mertsching zieht auch hier wieder Nutzen aus dem technischen Ansatz. „Wir bekommen Anregungen, die Dinge physikalisch anzugehen und erhalten dadurch die Chance, die Prozesse so zu optimieren, dass die natürliche Varianz, die jedem biologischen System zueigen ist, kleiner wird.“

Biologische Varianz kann verringert, muss aber auch toleriert werden

Mertsching nennt ein simples, aber eindrucksvolles Beispiel, wie biologische Verfahren mithilfe der Verfahrenstechnik verbessert werden: „Um Hautzellen aus einer Probe zu isolieren, haben wir im Labor mit der Pinzette die Hautlagen vorsichtig getrennt und dann einzelne Zellen entnommen, eine Methode, die sich so nicht automatisieren lässt. Mithilfe der Verfahrenstechnik haben wir jetzt eine physikalische Methode etabliert, bei der das Gewebe zerstückelt wird und die Zellen nach ihren physikalischen Eigenschaften wie Größe und Gewicht getrennt werden. Diese Methode der Zellvereinzelung geht deutlich schneller. Zurzeit laufen Analysen, um sicherzugehen, dass die Zellen dabei nicht mehr geschädigt werden als bei der alten Methode.“

So revolutionieren ingenieurwissenschaftliche Konzepte die Arbeit der Biologen und bestätigen die Bioverfahrenstechnik als Erfolgsmodell eines neuen Fachgebiets. Auch die klassische Verfahrenstechnik profitiert von der Zusammenarbeit. Techniker und Ingenieure erweitern die Grenzen ihres Faches, lernen eine gewisse Varianz zu tolerieren, die unvermeidbar ist, wenn man mit lebenden Systemen arbeitet. „Sie sehen es als Bereicherung, zumal ihr Arbeitsfeld spannende neue Aspekte hinzugewinnt. Der Wille aufeinander zuzugehen und voneinander zu lernen, ist jedenfalls da und das ist das Wesentliche, wenn man die Forschung und Entwicklung voranbringen will“, fasst Mertsching zusammen.

Gemeinsam mit Mitstreitern aus der gesamten Region, von den Universitäten Stuttgart und Tübingen sowie wie aus dem unternehmerischen Umfeld, würde sie der Bioverfahrenstechnik gerne noch weiteren Schub geben. Mertsching ist sich sicher, dass ein eigenes Technologiezentrum den Erkenntnisgewinn und die Entwicklung zukunftsfähiger Produkte noch wesentlich beschleunigen könnte. Die Voraussetzungen wären jedenfalls da und Vorstöße in Richtung Landesregierung werden unternommen.

leh - 24.03.08
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