BERICHTEAUS DERRHEINISCH-WESTFÄLISCHENTECHNISCHENHOCHSCHULEAACHEN

AUSGABE 2/2002

ISSN-NR.0179-079X

SciencesLifeSciences Life

3

Life SciencesVorwort des Rektors 5

„Life Sciences” als Motor interdisziplinärer Forschung 8

Das Forum „Life Sciences” der RWTH 9

Neuer Masterstudiengang „Biomedical Engineering” 11

Neuer Masterstudiengang „Biotechnologie/Molekulare Biotechnologie” 12

Das Aachener Kompetenzzentrum Medizintechnik 13

Medizintechnische Produkte 14

Experimentelle Radiologie 16

Vom Schlaganfall zur Lokalisation von Denkprozessen 18

Dem Herzstoffwechsel auf der Spur 20

Aachener Blutpumpen für das kranke Herz 22

Stress für Blutzellen 26

Wenn Bewegung schmerzt 28

Numerische Berechnung des Knochenumbauverhaltens 31

Navigation und Robotik unterstützen die minimal-invasive Chirurgie 34

Elektronische Prothesen für das Innenohr 36

Miniaturisierte Lungenersatztechnik 38

Entwicklung umweltverträglicher Schmierstoffe und Druckflüssigkeiten 39

Elektrosensibilität – eine Herausforderung für die Umweltmedizin 42

Strahlenschutz bei der Raumfahrt 44

Kompetenzzentrum für Biowerkstoffe Aachen (bwA) 48

Das Interdisziplinäre Zentrum für Klinische Forschung „BIOMAT.“ 50

Textile Werkstoffe in Gefäßprothesen und künstliche Hornhaut 52

Laserbohrungen für die Befestigung von Retina-Implantaten 53

Entwicklung eines neuartigen, resorbierbaren Gefäßimplantats für Koronararterien 54

Entwicklung einer im Körper auflösbaren Harrnleiterschiene 56

Neue Wege beim Knochen- und Gelenkersatz I 59

Neue Wege beim Knochen- und Gelenkersatz II 60

Einleitung

Medizintechnik

Biomaterialien

4

„Pflaster-TÜV“ für Medizinprodukte 61

Körpereigene Alternativen zur Hauttransplantation 63

„Am Puls der Zeit“ – Körpereigene Herzklappen- und Gefäßprothesen 64

Tissue Engineering am peripheren Nervensystem 66

Brustrekonstruktion aus der Zellkultur 67

Entwicklung neuer Arzneimittel 70

Molecular Farming: Produktion pharmazeutischer Proteine in Pflanzen 72

Gendefekte präzise aufgespürt 76

Hormonell wirksame Stoffe in Abwasser 78

Der Rattenfänger von Hameln und die Zytokine 81

Von der Bärengalle zur organischen Chemie 86

Zwischen Life Science und Lebenswissenschaften? 87

Technik und Angst aus psychopathologischer Perspektive 88

Schimmelresistente Erdbeeren – Biokost oder Hightech-Food? 89

Namen und Nachrichten 92

Wie Sprengstoff zünden, ohne die Nachbarn zu erzürnen? 96

Erste Adresse für künftige Ingenieure und Informatiker 98

Neuer Himmel über dem Autofahrer 102

Aus dem Inhalt

Biotechnologie

Reflexionen

Aus der Hochschule

Impressum

Herausgegeben imAuftrag des Rektors:Pressestelle der RWTH AachenTemplergraben 5552056 AachenTelefon 0241/80-94327Telefax 0241/80-92324Pressestelle@zhv.rwth-aachen.dehttp://www.rwth-aachen.de

Redaktion:Christof Zierath

Verantwortlich:Toni Wimmer

Redaktionelle Mitarbeit:Thomas FrühRenate KinnyGabriele RennerSebastian Wigele

Titel:Entwicklung von Terahertz-Desoxyri-bunukleinsäure (DNA)-Biochips fürdie genetische Diagnostik im Institutfür Halbleitertechnik IHT.Rücktitel:Sichtprüfung einer transgenenTabakpflanze vor der Ernte imInstitut für Biologie VII (MolekulareBiotechnologie).Fotos: Peter Winandy

Art direction:Klaus Endrikat

Druck:Gatzen GmbH & Co. KGvon-Humboldt-Str. 10352511 Geilenkirchen

Gedruckt auf chlorfrei gebleichtemPapier

Das Wissenschaftsmagazin „RWTH-THEMEN“ erscheint einmal proSemester. Nachdruck einzelnerArtikel, auch auszugsweise, nur mitGenehmigung der Redaktion.

Wintersemester 2002/2003

Life

5

Sciences

Vorwort

ie Ausbildung eines hochqualifizierten Nachwuchses und dieForschung auf einem hohen Niveau haben an der RWTHAachen seit jeher höchste Priorität. Zu den Aufgaben einer

Hochschule zählt selbstverständlich auch, den Austausch unter denetablierten Wissenschaftsbereichen und Fächern zu intensivierenund einen ständigen Dialog mit der Wirtschaft der Region zu füh-ren. Denn die Hochschule ist als führende Ausbildungsstätte, als Ortwissenschaftlichen Fortschritts und konstruktiver Diskussionenwichtiger Teil der Gesellschaft und hat somit die Aufgabe, bei densich immer rascher vollziehenden gesellschaftlichen Veränderungenzu unterstützen, zu beraten und zu fördern. Dabei bietet die Präsenzder natur- und ingenieurwissenschaftlichen Fächer sowie der Medi-zin neben den Geístes-, Gesellschafts- und Wirtschaftswissenschaf-ten an der RWTH eine ideale Voraussetzung, diese Ziele gemeinsammit allen Wissenschaftsbereichen erfolgversprechend umzusetzen.

Interdisziplinarität wird an der RWTH seit vielen Jahren praktiziert.Die Erkenntnis, dass zum einen die tradierten Grenzen in den Wis-senschaften zunehmend weniger wahrnehmbar werden und zumanderen transdisziplinäre Lösungsansätze sowohl in der Forschungals auch in der Lehre häufig äußerst erfolgreich sind, hat die RWTHfrühzeitig veranlasst, interdisziplinäre Strukturen zu fördern und zuinstitutionalisieren.

Um diese Ziele umzusetzen, haben sich die bereits 1989 geschaffe-nen fünf interdisziplinären Foren als ein äußerst erfolgreiches In-strumentarium erwiesen. Im Mai dieses Jahres hat die RWTH mitdem Forum „Life Sciences” eine weitere wissenschaftliche Platt-form geschaffen, die ebenfalls große Erfolge auf dem Gebiet der Me-dizintechnik erwarten lässt und auch bereits sehr vielversprechendeErgebnisse erzielt hat. Die enge Zusammenarbeit von Medizin,der Forschung in den weiteren Fächern und Wissenschaftsbereichender Hochschule sowie der Wirtschaft wird zu Ergebnissen führen,die allen Menschen zugute kommen werden.

Univ.-Prof. Dr. Burkhard RauhutRektor

Univ.-Prof. Dr. Burkhard RauhutRektor

D

7

Gelextraktion auf dem UV-Leuchttisch. Zur Subklonierungwird eine DNA-Bande aus demAgarose-Gel ausgeschnitten, umdie auf diesem Segment codier-ten Informationen zur Analyse inZellen einzuschleusen.Foto: Peter Winandy

8

ie Medizinische Fakultätder RWTH Aachen befin-det sich in einer herausra-

genden Situation: Sie ist Teil ei-ner alt eingesessenen Techni-schen Hochschule, die in vielenihrer Disziplinen Weltruf genießt.Vor diesem Hintergrund war eszunächst keine leichte Aufgabefür eine mit knapp 40 Jahrenrecht junge Medizinische Fakul-tät, ihren Platz nicht nur im Zent-ralklinikum an der Pauwelsstra-ße, sondern auch im Konzert die-ser bekannten und etabliertenHochschulinstitutionen zu fin-den. Doch gleichzeitig stellte die-ses „Alleinstellungsmerkmal”von Anfang an eine große Chan-ce dar, Forschung interdisziplinärund vor allem auch interfakulta-tiv auf besonderem Niveau zubetreiben.

Während diese Kooperatio-nen in den Anfangsjahren eherpunktuell betrieben wurden (oh-ne dabei weniger erfolgreich zusein), ist es in besonderem Maßedem jetzigen Rektor der RWTH,Professor Burkhard Rauhut, zuverdanken, dass die medizin-technische Forschung auf einebreitere Basis gestellt wurde undein nach außen weithin sichtba-res Gesicht bekommen hat. Indem neu gegründeten Interdiszi-plinären Forum „Life Sciences”sowie dem Forschungsverbund„ALSA” (Applied Life SciencesAachen) werden mittlerweile alleAktivitäten gebündelt und koor-diniert. Dieses Vorgehen ver-stärkt die vorhandenen Synergie-effekte und erleichtert und ver-bessert ihre Nutzung.

Das vorliegende Heft ist un-ter anderem ein Ergebnis dieserBemühungen: In rund 40 Beiträ-gen nähert es sich dem Thema„Life Sciences” von verschiede-nen Seiten und dokumentiert dieenorme Bandbreite, die dieserBereich in Aachen inzwischen er-reicht hat. Außerdem zeigt es,dass nicht nur bereits lange eta-blierte Schwerpunkte ausgebautwurden, sondern die Forschersich auch neuen Herausforde-rungen und Themengebieten mithervorragenden Ergebnissen ge-nähert haben.

Einer dieser etabliertenSchwerpunkte, bei dem sich Aachen bereits seit vielen Jahreneinen Namen erworben hat, liegtim Bereich der Biomaterialfor-schung. Ein klassisches Feld, aufdem Mediziner mit Ingenieurenund Technikern zusammenarbei-ten, das mit seinen Beiträgen indiesem Heft gleichzeitig aberauch Wandel und Weiterent-wicklung der Forschung doku-mentiert: Lag der Schwerpunktlange Zeit darauf, künstliche „Er-satzteile” für den menschlichenKörper zu schaffen, zum Beispielin Form synthetischer Hornhäuteoder Harnleiterschienen, so wer-den mittlerweile in immer größe-rem Maße neue Organe aus kör-pereigenem Gewebe gezüchtet.„Tissue Engineering” nennen dieWissenschaftler diesen For-schungszweig. Die große Kom-petenz der RWTH auf dem Ge-biet der „Biomaterialien” zeigtsich in der Präsenz zweier For-schungszentren: Dem Interdiszi-plinären Zentrum für KlinischeForschung „BIOMAT.”, welchesdirekt an der Medizinischen Fakultät verankert ist, und demKompetenzzentrum für Biomate-rialien Aachen „bwA”.

Ein zweites Kompetenz-zentrum in Aachen, das „AKM”(Aachener KompetenzzentrumMedizintechnik), repräsentiertein weiteres erfolgreiches Kapitelder Zusammenarbeit zwischenMedizinern und Ingenieuren: Esbeschäftigt sich mit dem breitenFeld der Medizintechnik. Ebensowie das „bwA” zeigt es in ein-drucksvoller Weise, welche Be-deutung die biomedizinischeForschung an der Hochschule fürden regionalen Arbeitsmarkt hat:Konsequent werden hier wissen-schaftliche Forschungsergebnissein Produkte umgesetzt, damitneue innovative Unternehmengegründet und zusätzliche Ar-beitsplätze geschaffen werdenkönnen. Das breite Feld medizin-technischer Anwendungen fürden Menschen zeigt sich auch inder Vielzahl der thematischenBeiträge in diesem Heft: Die Arti-kel beschäftigen sich unter ande-rem mit Fragen, wie man mit Hil-fe der bildgebenden VerfahrenProzesse im Körper sichtbar ma-chen kann, welche Verbesse-

rungsmöglichkeiten es bei Thera-pien und Operationstechnikengibt oder – im Rahmen einesSonderforschungsbereiches – wiesich Umweltgefahren auf Körperund Gesundheit auswirken kön-nen.

Die Zusammenarbeit zwi-schen Ingenieuren und Medizi-nern an der RWTH wäre jedochnur unzureichend dokumentiert,würde nicht auch der relativ jun-ge und aufstrebende Bereich derBiotechnologie in der Themen-auswahl Berücksichtigung fin-den. Hier versuchen die Forscherunter anderem mit Hilfe vonMikroorganismen sowie mit mo-lekularbiologischen oder gen-technischen Methoden neueProdukte und „Dienstleistun-gen” bereitzustellen. Auch diesesspannende Thema zeigt in denvorliegenden Beiträgen seineenorme Bandbreite: Die Mög-lichkeiten zur Entwicklung neuerMedikamente werden in einemSonderforschungsbereich vonverschiedenen Seiten beleuchtet,im Rahmen eines Graduierten-kollegs werden Strategien zurBeseitigung hormonell wirksamerSubstanzen aus Abwässern dis-kutiert oder es werden Wegezum Auffinden von Gendefektenbeschrieben.

Bei all den großartigen Mög-lichkeiten, die die Zusammenar-beit zwischen Medizin und Tech-nik für den Menschen bietet,wäre es Hochmut, nicht auch diekritischen Seiten und Gefahrender modernen Forschung zu se-hen. Gerade bei den neuestenEntwicklungen, die die For-schung im Bereich der Biomedi-zin und der Medizintechnik voll-zieht, ist eine Reflexion über das,was wir tun, nicht nur wichtig,sondern zwingend notwendig.Wissenschaftler müssen dieAngst der Menschen vor denAuswirkungen der Gentechnolo-gie oder der fortschreitendenTechnisierung ihrer Umwelt Ernstnehmen. Vertreter der Philoso-phie und der Psychiatrie versu-chen in diesem Heft Antwortenauf die damit verbundenen Fra-gen zu geben.

Wir sind sehr stolz auf dieseRWTH-Themen: Zeigen die Bei-träge doch in vorbildlicher Wei-se, wie fruchtbar und vielfältigsich die Zusammenarbeit zwi-schen Medizinern, Ingenieurenund Naturwissenschaftlern ge-stalten kann, wenn alle am glei-chen Strang ziehen und das glei-che Ziel haben, nämlich die For-schung im Dienste des Men-schen und seiner Gesundheit.

Wir wünschen Ihnen vielFreude beim Lesen und so man-ches „Aha-Erlebnis”!

Autoren:

Univ.-Prof. Dr. med. JürgenFloege ist Prodekan für For-schung und wissenschaftlichenNachwuchs an der Medizini-schen Fakultät und gleichzeitigDirektor der Medizinischen Klinik II.Univ.-Prof. Dr. rer.nat. Wolf-gang Dott ist Dekan für Strukturund Finanzen an der Medizini-schen Fakultät sowie Direktordes Instituts für Hygiene undUmweltmedizin.

Jürgen Floege, Wolfgang Dott

„Life Sciences“ als Motorinterdisziplinärer ForschungMediziner, Natur- und Ingenieurwissenschaftlerentwickeln innovative Produkte und Methoden für den Menschen

D

9

n einer Zeit, die durch rasanteVeränderungen von Technikund Gesellschaft geprägt wird,

ist es nicht verwunderlich, dassauch die Universitäten sichständig neuen Herausforderun-gen stellen müssen. Viele anste-hende Probleme sind meist nurnoch mit dem Wissen zahlreicherExperten lösbar. Deshalb hat dieRWTH schon früh begonnen,den Dialog zwischen den Fakul-täten zu pflegen und interdiszi-plinäre Forschungsaktivitäten zufördern:

Sonderforschungsbereicheder Deutschen Forschungsge-meinschaft als wichtigste langfri-stig angelegte Forschungsein-richtungen der Hochschulen, indenen Wissenschaftler im Rah-men fächerübergreifender For-schungsprogramme zusammen-arbeiten, werden bereits seit1968 erfolgreich betrieben.

Graduiertenkollegs derDeutschen Forschungsgemein-schaft kamen in jüngerer Zeithinzu.

Das Bundesministerium fürBildung und Forschung und dieEuropäische Union fördern

zunehmend Forscherverbündeund Kompetenzzentren.

Bei diesen vielfältigen Akti-vitäten wird es immer wichtigerfür die Universität, die Übersichtzu bewahren, um Doppelarbei-ten zu verhindern, Synergien zunutzen und Anregungen fürneue problemangepasste For-schungs- und Kompetenzzentrenzu entwickeln. Hier konnten dieInterdisziplinären Foren derRWTH in den letzten Jahren einezunehmend wichtige Rolle über-nehmen.

Bereits Ende der achtzigerJahre haben sich Professoren derRWTH Aachen in den fünf Inter-disziplinären Foren – FORUMWELTRAUMFORSCHUNG,UMWELT-FORUM, WERK-STOFF-FORUM, FORUM IN-FORMATIK, FORUM TECHNIKUND GESELLSCHAFT – zusam-mengefunden, um die fachüber-greifende Zusammenarbeitinnerhalb der Hochschule sowiemit externen Partnern zu för-dern. Im Mai 2002 kam dasFORUM LIFE SCIENCES alssechstes Forum hinzu.

Fast schon zwangsläufig

erfolgte die Gründung diesesjüngsten Forums. Denn gerade indem komplexen, außerordentlichvielgestaltigen Gebiet der LifeSciences lassen sich Fortschrittenur durch Zusammenarbeit überdie Fakultätsgrenzen hinauserzielen. Wie geschaffen präsen-tiert sich hier die Hochschulland-schaft der RWTH mit ihrembreiten Fächerkanon. ZwischenIngenieurwissenschaften, Natur-wissenschaften und Medizinentstehen Kooperationen, wel-che die herausragende Stellungder RWTH in den Life Sciencesbegründen.

In diesem optimalen Umfeldwuchs in den letzten Jahrenschnell die Zahl der interdiszi-plinären lebenswissenschaftli-chen Kooperationen. Und frühzeichnete sich der Trend ab, dieAktivitäten zu bündeln. So wur-de im Jahr 2000 der Forschungs-verbund Applied Life ScienceAachen (ALSA) gegründet – einerster umfassender Zusammen-schluss von Hochschullehrern derRWTH, die auf sieben Arbeitsfel-dern gemeinsam lebenswissen-schaftliche Forschung betreiben.

Mit der Einrichtung des Forumsist jetzt die Plattform zur Organi-sation und Begleitung der wis-senschaftlichen Aktivitäten ge-schaffen und der Weg zur geziel-ten Stimulation der lebenswis-senschaftlichen Forschung kon-sequent weitergegangen wor-den.

Innerhalb von ALSA arbeitenbereits heute drei Sonderfor-schungsbereiche. Darüber hinausist die intensive Begleitung derForscherverbünde, des AachenerKompetenzzentrums für Medi-zintechnik (AKM), des Kompe-tenzzentrums für Biowerkstoffe(bwA) und des InterdisziplinärenZentrums für Klinische For-schung Biomaterialien und Ma-terial-Gewebsinteraktionen beiImplantaten (IZKF) „BIOMAT.“ein erklärtes Ziel des Forums. Injüngster Zeit wurde im Rahmender BioRiver-Initiative der ABCD-Universitäten (Aachen, Bonn,Köln, Düsseldorf) und des For-schungszentrums Jülich die her-ausragende Stellung der RWTHauf den technisch geprägtenFeldern der lebenswissenschaftli-chen Bereiche Biomaterialien undMedizintechnik deutlich. Aufeinem weiteren technisch orien-tierten Feld der Life Sciencesarbeitet das Bionik-ZentrumAachen, das die Entwicklungtechnischer Anwendungen unterNutzung biologischer Prinzipienvorantreibt. Des weiteren ist dieaus vier Fakultäten gespeisteArbeitsgemeinschaft Helmholtz-Institut für BiomedizinischeTechnologien unter dem Dachdes Forums angesiedelt.

Schnittpunkte mit den ande-ren Foren sind ausdrücklicherwünscht, können sie doch dieEffizienz beim Verfolgen derZiele noch steigern. In jüngsterZeit wurden in diesem Sinneauch forenübergreifende Initiati-ven wie der „Nano-Club“ ge-gründet, der auf nahezu allenGebieten der Technik tätig ist.Der „Nano-Club“ wird in jedemForum einen oder mehrereVertreter haben, so dass auchhier eine regelmäßige Abstim-mung erfolgen kann.

Allen Foren gemein ist dieWechselwirkung auch zu außer-universitären Einrichtungen wieAn-Instituten und Fraunhofer-Instituten sowie die Bezüge zumwirtschaftlichen Umfeld. Beson-ders fruchtbar für das FORUMLIFE SCIENCES ist die engeKooperation mit dem Verein

Reiner Kopp

Das FORUM LIFE SCIENCESder RWTH im Rahmender Interdisziplinären Forenu

I

Bild 1: Struktur und Koopera-tionen des FORUMS LIFE SCIENCES der RWTH Aachen.

10

LifeTecAachen-Jülich e.V., demregionalen Netzwerk aus Wirt-schaft, Wissenschaft, interme-diären Organisationen undKapitalgebern. Die unmittelbareNähe zu den Niederlanden undBelgien fördert zudem Kontakteund Aktivitäten über die Landes-grenzen hinaus.

Neben der Forschung ist dieFörderung des wissenschaftli-chen Nachwuchses ein wichtigesAnliegen der Foren. So werdenSchülerwettbewerbe mit demZiel durchgeführt, Jugendlichebereits während der Schulzeit fürTechnik und somit für ein Studi-um an der RWTH zu begeistern.Daneben haben die Mitgliederder Foren an der Entwicklungneuer interdisziplinärer Studi-engänge maßgeblich mitgewirkt.Als lebenswissenschaftlicheStudiengänge bietet die RWTHab dem Wintersemester 2002/2003 den fächerübergreifendenMasterstudiengang BiomedicalEngineering und den Bachelor-/Masterstudiengang Biotechno-logie an.

Generell ist den Foren derDialog mit der Öffentlichkeitsehr wichtig. So werden im Rah-men von Ringvorlesungen sowieinterdisziplinären Kolloquien undSeminaren gleichermaßen Fach-leute wie interessierte Laienangesprochen. Diese breit ange-legte Öffentlichkeitsarbeit spie-gelt sich auch in verschiedenenForenausgaben der Hochschul-zeitschrift RWTH-THEMEN, indiversen Messebeteiligungenund nicht zuletzt in den von denForen herausgegebenen Schrif-tenreihen und einzelnen Buch-veröffentlichungen wider.

Mit den InterdisziplinärenForen, einer äußerst flexiblenNetzwerkstruktur, hat die RWTHeine anpassungsfähige moderneOrganisationsform gefunden, diean keiner anderen Universität invergleichbarer Form vorhandenist. Der Erfolg dieser Strukturhängt aber von den Akteuren ab.Es ist zu hoffen, dass auch inZukunft immer mehr Kolleginnenund Kollegen gewonnen werdenkönnen, die basierend auf ihren

eigenen Disziplinen und aner-kannten Kompetenzen den Wegüber die Fachgrenzen hinwegsuchen, um das vielseitige Wis-sen der Hochschule zu bündeln.

Die Zukunft der Universitä-ten wird nicht nur durch Einzel-kämpfer entschieden, sondernzunehmend durch eine optimaleVernetzung von Ressourcen undKompetenzen.

Autor:

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Reiner Koppist Rektoratsbeauftragter für dieInterdisziplinären Foren, Dekander Fakultät für Bergbau, Hüt-tenwesen und Geowissenschaf-ten sowie Inhaber des Lehrstuhlsund Leiter des Instituts für Bild-same Formgebung.

11

oderne medizintechni-sche Entwicklungen fürDiagnostik und Thera-

pie erfordern eine verstärkte in-terdisziplinäre Zusammenarbeitzwischen Medizinern, Ingenieu-ren und Naturwissenschaftlern.

Die hochschulinterne inter-disziplinäre Zusammenarbeit inden Lebenswissenschaften wur-de durch die Inititative ALSA(Applied Life Sciences Aachen)und das neu gegründete ForumLife Sciences intensiviert und neufokussiert. Bestehende Aktivitä-ten umfassen Sonderforschungs-bereiche, das InterdisziplinäreZentrum für Klinische Forschung„BIOMAT.“ (Biomaterialien undZentralnervensystem), die Kom-petenzzentren BiowerkstoffeAachen (bwA) und AachenerKompetenzzentrum Medizin-technik (AKM).

Für diese Aachener for-schungs-, entwicklungs- undvermarktungsorientierten Aktivi-täten gab es bislang kein speziel-les Angebot in der Ausbildung.Der Masterstudiengang „Biome-dical Engineering” stellt daher

ein längst überfälliges Bindegliedim Studienangebot der RWTHAachen dar.

Die Ausbildung im Fach„Biomedical Engineering” bein-haltet die Vermittlung eines in-genieurwissenschaftlichenGrundverständnisses ebenso wiemedizinisch und naturwissen-schaftlich orientierte Lehrinhalte.Charakteristische Schwerpunkteder Spitzenforschung an RWTH Aachen und Universitätsklinikumfinden besondere Berücksichti-gung und repräsentieren das„Aachener Profil” des Studien-ganges: Biomaterials & PolymerScience, Tissue Engineering, Me-dical Imaging & Guided Therapy,Artificial Organs & Devices.

Vor diesem Hintergrund istdas Konzept des Masterstudien-gangs Biomedical Engineering ingut einem Jahr intensiver Vorbe-reitungen entwickelt und an dieinternationalen Maßstäbe ange-passt worden. Die Absolventin-nen und Absolventen sollen be-vorzugt für nationale und inter-nationale industrielle Forschung(Medizintechnik, Biotechnologie,

Pharmafirmen), Gesundheitswe-sen, Forschungseinrichtungenund Universitäten ausgebildetwerden.

Zugangsvoraussetzung sindein Bachelorgrad oder ein ersterHochschulabschluss (zum Bei-spiel in der Medizin das ErsteStaatsexamen) bei jedoch min-destens sechs Semestern Studi-enzeit in den StudiengängenMedizin, Biologie, Chemie, Phy-sik, Maschinenbau oder Elektro-technik. Neben der entsprechen-den Qualifikation müssen Be-werberinnen und Bewerbernachweisen, dass sie über die er-forderlichen Sprachkenntnisseverfügen. Das Studium wird inenglischer Sprache durchgeführt,um eine rege internationale Be-teiligung ausländischer Studie-render zu ermöglichen.

Nach erfolgreichem Ab-schluss des viersemestrigen Mas-terstudienganges wird der aka-demische Grad „Master of Sci-ence in Biomedical Engineering”verliehen.

Dank dem besonderen Enga-gement der Kolleginnen und Kol-

legen der beteiligten Fakultäten(Mathematik-Naturwissenschaf-ten-Informatik, Maschinenbau,Elektrotechnik und Medizin)kann der Studiengang zum Win-tersemester 2002/03 erstmalsangeboten werden.

Autoren:

Prof. Dr. rer.nat. Khosrow Mottaghy ist Professor für Ange-wandte Physiologie am Lehrstuhlfür Physiologie.Prof. Dr. med. Dipl.-Ing. ThomasSchmitz-Rode ist LeitenderOberarzt in der Klinik für Radio-logische Diagnostik.

Khosrow Mottaghy, Thomas Schmitz-Rode

Neuer Masterstudiengang„Biomedical Engineering“

M

12

b dem Wintersemester2002/2003 wird an derRWTH Aachen der Studi-

engang Biotechnologie/Moleku-lare Biotechnologie zunächst alsBachelor- und weiterführend alsMasterstudiengang angeboten.Damit bietet die Hochschule Stu-dierenden die Möglichkeit, aufinterdisziplinärem Terrain denEinsatz und die gezielte Nutzungbiologischer Prozesse von Orga-nismen, Zellen und Teilen davonzu erlernen und auf entsprechen-den Gebieten zu forschen.

Ziel der modernen Biotech-nologie ist es, technische, biolo-gische und molekularbiologischeVerfahren zu entwickeln, umProdukte und Dienstleistungenfür Mensch und Umwelt bereit-zustellen. Dabei nutzt sie vielfäl-tige Möglichkeiten, um Leistun-gen von Enzymen, einzelnen Zel-len und mehrzelligen Organis-men zu optimieren. Ziel einersolchen Optimierung könnenzum Beispiel verbesserte Synthe-seleistungen oder Abbauleistun-gen sein. Bei der Optimierungwerden sowohl biologische undmolekularbiologische als auchverfahrenstechnische Methodeneingesetzt.

In der Lehre und Forschungist an der RWTH das gesamteSpektrum der Biotechnologievertreten. Den Studierendenwerden naturwissenschaftliche(physikalische, chemische, biolo-gische, biochemische, zellbiologi-sche, molekularbiologische) undingenieurwissenschaftlicheKenntnisse vermittelt. Der For-schungsschwerpunkt liegt indem naturwissenschaftlichenFach Biologie. Der ingenieurwis-senschaftliche Anteil wird vonBioverfahrenstechnikern (eintechnischer Studiengang) beige-steuert. Biotechnologen könnennicht Experten in allen Diszipli-nen gleichzeitig sein, die für diemultidisziplinäre Biotechnologiewichtig sind, sie müssen aber Zu-sammenhänge erkennen undentsprechend koordinieren kön-nen. Biotechnologen sollten un-bedingt ein wichtiges Teilgebietvertieft beherrschen und die an-deren Felder so weit durchschau-en, dass ihnen die Einordnung indas Ganze und die fachlicheKommunikation mit den Exper-ten der anderen beitragendenGebiete möglich sind.

Die enge Zusammenarbeitder verschiedenen Disziplinen,die an der RWTH eine lange Tra-dition hat, erleichtert das Erler-nen der Fähigkeit zur interdiszi-plinären Kommunikation. Diewichtige Fähigkeit zur Arbeit ineinem Team von Wissenschaft-lern unterschiedlicher Disziplinenwird gezielt gefördert. Es gibt ander RWTH seit langem interdiszi-plinäre Lehrangebote. So hat dieBiologie Angebote für andereNaturwissenschaftler und Inge-nieure, umgekehrt müssen Stu-dierende der Biologie ein nicht-biologisches Nebenfach belegen.

Mit ihren ausgezeichnet ver-tretenen ingenieurwissenschaftli-chen, naturwissenschaftlichen,medizinischen und medizintech-nischen Fächern ist die RWTHfür die Biotechnologie ein gera-dezu idealer Standort. Die RWTHunterhält zahlreiche internatio-nale Beziehungen und ist mit ih-ren Aktivitäten auf dem Gebietder Life Sciences unter anderemin die Bioregio Rheinland einge-bunden. Auch wurde an derRWTH das Forum „Life Sciences“ins Leben gerufen sowie der For-schungsverbund ALSA (AppliedLife Science Aachen) und der Li-feTec Aachen-Jülich eingerichtet.Durch diese Aktivitäten wird derKontakt der Institute untereinan-der und zur Industrie gefördert.Enge Kooperationen bestehenunter anderem mit dem Aache-ner Fraunhofer-Institut für Mole-kulare Biotechnologie und Ange-wandte Oekologie.

Der zum Wintersemester2002/2003 eingeführte Studien-gang, der zum berufsqualifizie-renden Abschluss Bachelor nachsechs Semestern und zum Mas-ter nach zehn Semestern führt,wird vielen Studierenden ausdem Ausland die Entscheidungfür ein Studium an der RWTH er-leichtern. Deutschen Studieren-den öffnen diese Abschlüsse eherals bisher den Eintritt in europäi-sche und anglo-amerikanischeUnternehmen.

Autor:

Dr. rer.nat. Martin Zimmermann,AOR, ist Fachstudienberater Bio-technologie/Molekulare Biotech-nologie im Institut für Biologie IV(Mikrobiologie).

Martin Zimmermann

Neuer Studiengangzum Bachelor und MasterBiotechnologie/Molekulare Biotechnologie

A

13

chonende Behandlungsme-thoden sind auf dem Vor-marsch. In Kliniken und Pra-

xen setzen Ärzte immer öfter mi-nimalinvasive Verfahren unterVerwendung immer kleiner wer-dender Instrumente ein. Beson-ders vorteilhaft für die Patientenist es, dass die Folgen der Eingrif-fe schneller zu überwinden unddas Risiko von Komplikationenzu verringern sind. Um die Ent-wicklung der winzigen medizin-technischen Systeme optimal zugestalten, müssen Fachleute un-terschiedlicher Disziplinen in ge-meinsamen Projekten eng zu-sammenarbeiten. Dieser Aufga-be und damit auch der Stärkungder Medizintechnik in der Regionwidmet sich das Aachener Kom-petenzzentrum Medizintechnik –AKM.

Die Geschäftsstelle des AKMbetreut und koordiniert die Ent-wicklungsprojekte, baut dasNetzwerk aus und steht als An-sprechpartner für alle Akteureaus Klinik, Forschung, Entwick-lung und Industrie zu Verfügung.Anfangs mit Bundesmitteln ge-fördert, soll bereits im kommen-den Jahr aus der Geschäftsstelleein selbstständiges Unternehmenentstehen, das rund um die Me-dizinproduktentwicklung unter-stützende Dienstleistungen an-bietet.

Die denkbar guten Voraus-setzungen für das ehrgeizigeVorhaben liegen in den Struktu-ren und Kompetenzen der betei-ligten Partner: Führende Wissen-schaftler sowohl im klinischenwie auch ingenieurwissenschaft-lichen und biomedizinischen Be-reich lösen technische und medi-zinische Fragen bis in die kleins-ten Dimensionen. Die Fraunho-fer-Institute für Lasertechnik undProduktionstechnologie unter-stützen dabei die Weiterentwick-lung von einer ‘großen’ Idee hinzu einem miniaturisierten Medi-zinprodukt. Mehrere junge me-dizintechnische Spezialfirmen ha-ben sich im Umfeld der Hoch-schule etabliert und sind bereitsjetzt in gemeinsamen Projektentätig. Es liegt nahe, diese einzel-nen Kompetenzen und Kapazitä-ten unter einem Dach zu bün-deln. So sollen Forschungsergeb-nisse durch den strategischenAKM-Verbund zwischen For-schung, Entwicklung und Indust-rie in Zukunft rascher in markt-reife Produkte umgesetzt wer-den. Dabei sind auch die regio-

nale Wirtschaftsförderungsagen-tur AGIT und Wagniskapitalge-ber integriert. Weitere Partnersind willkommen.

AKM: Drehscheibe von Innova-tion und KompetenzDas AKM versteht sich als Dreh-scheibe von Innovation undKompetenz. Die vielfältigen Auf-gaben für das AKM und dessenGeschäftsstelle liegen in der Be-treuung und der erfolgreichenDurchführung der Startprojekte,die bereits Ende 2000 begonnenhaben, in der Initiierung undSteuerung neuer Projekte zumBeispiel anhand eines geradeentstehenden, EDV-gestütztenQualitätsleitfadens. Die Betreu-ung aktueller Seminar- und Tagungsveranstaltungen zumKnow-how-Transfer sowie Inno-vations- und Technikanalysen inder Medizin und Marketingun-terstützung für die Verbundpart-ner sind weitere Aufgaben desAKM. Einen besonderen Schwer-punkt setzt die AKM-Geschäfts-stelle auf den Umgang mit Ideenund Kreativität. So geht es nebendem Schutz der Urheberschaftinsbesondere darum, zunächstdie Chancen oder Vorzüge einerIdee zu suchen und unbürokra-tisch weiterzuentwickeln, bevorman sich den möglichen Risikenzuwendet. Vertauensvolles Inno-vationsmanagement und Spiel-raum für Neues gehört daher zuden Grundpfeilern der Projektar-beit.

Das Konzept des AKM ver-spricht, erfolgreich zu werden.Nicht anders ist zu werten, dasses zu den acht Gewinnern einesWettbewerbs gehört, der vomBundesministerium für Bildungund Forschung (BMBF) im Jahre2000 ausgeschrieben wurde.

Herz-Kreislauf- und Gewebe-therapieAuf zunächst zwei Feldern sehendie Gründer des AKM guteChancen, sich im Wettbewerb zubehaupten: In der Herz-Kreis-lauf- und in der Gewebetherapie.Dort sind auch die Startprojekteangesiedelt, die derzeit von denVerbundpartnern umgesetztwerden. Dazu gehört die verglei-chende Analyse kleiner, aberhochleistungsfähiger Blutpum-pen, die zeitweise oder dauerhaftdie Herzfunktion eines Men-schen ersetzen können. ErsteModelle sind bereits auf demMarkt, neue Pumpenkonzepte

befinden sich in der Evaluation.Auch Miniatursysteme zurpunktgenauen Behebung vonHerzrhythmusstörungen undMikrosensoren zur Optimierungder Fadenspannung chirurgischerNähte stehen auf dem Plan derAKM-Partner ebenso wie laser-gestützte Verbindungen kleinerHohlorgane wie Samen- und Ei-leiter. Parallel dazu wird ein qua-litätsorientierter Leitfaden zurUnterstützung zukünftiger Ent-wicklungen erarbeitet.

Angesichts des weltweit be-achteten Potenzials in der Medi-zintechnik und der guten Vor-aussetzungen in Aachen glaubendie Initiatoren an den Erfolg desProjektes. Die ersten Resultatebestätigen dies: Zukunftsweisen-de Forschungsergebnisse, sehrgut besuchte Veranstaltungenund Seminare, ein wachsendesNetzwerk und weitere, neue Ent-wicklungsprojekte sind die vor-zeigbare Bilanz der ersten an-derthalb Jahre.

Autoren:

Dr. Sportwiss. Robert Farkas istLeiter der AKM-Geschäftsstelle.Prof. Dr.med. Dipl.-Ing. ThomasSchmitz-Rode ist Sprecher desAKM und Leitender Oberarzt inder Klinik für Radiologische Diagnostik.

Robert Farkas, Thomas Schmitz-Rode

Von Ideen zu Produkten: Das AachenerKompetenzzentrum Medizintechnik

S

14

edizintechnische For-schung und Entwick-lung am Aachener

Fraunhofer-Institut für Produkti-onstechnologie IPT – das bedeu-tet den Einsatz ingenieurwissen-schaftlicher Technologien für dieUmsetzung medizintechnischerInnovationen. Durch neue Tech-nologien und Materialien sowiePräzisionstechniken entstehenProdukte und Verfahren, die inder Medizintechnik neue Hori-zonte eröffnen. GanzheitlicheLösungen für Instrumente undImplantate, Mess- und Sensor-systeme sowie Peripheriegerätewerden entwickelt. Begleitetwerden diese Arbeiten durch einqualitätsorientiertes Entwick-lungsmanagement, das die Zeit-und Qualitätsplanung umfasstund die interdisziplinäre Zusam-menarbeit koordiniert.

Ein Forschungsschwerpunktist die Minimalinvasivität. Hierwird versucht, die Krankheitdurch kleine, lokal eng begrenzteEingriffe direkt an der Quelle oh-ne weitergehende Traumatisie-rung der umgebenden Gewebe-struktur zu bekämpfen. Voraus-setzung für diese Operations-technik sind miniaturisierteWerkzeuge mit Funktionen zumSchneiden und Greifen, aberauch zur optischen Navigationim Operationsfeld sowie zurKontrolle des Ergebnisses. Hierzukann die Produktionstechnikwertvolle Beiträge leisten undwie auch in anderen Anwen-dungsfeldern ist der Einsatz neu-er Materialien eine der treiben-den Kräfte. Moderne Werkstoffewie faserverstärkte Kunststoffe,Keramiken, Graphit oder Titanfinden neben dem weit verbrei-teten Stahl vermehrt Anwen-dung und erfordern den Einsatzadäquater Fertigungstechniken.Bei der Herstellung von Werk-zeugen für die Minimalinvasivitätkommen geometrische Anforde-rungen hinsichtlich Miniaturisie-rung und Ultrapräzision hinzu.

Wozu werden diese neuenWerkstoffe eingesetzt und wasmacht ihre Bearbeitung so auf-wändig? Metallische Werkzeugesind in Röntgengeräten (CT)oder Magnetresonanztomogra-phen (MR) nur eingeschränkt zugebrauchen, da sie sich nicht stö-rungsfrei abbilden lassen und dienähere Bildumgebung beein-flusst wird. Die Werkzeuge er-scheinen verzerrt, doch kommtes gerade auf eine einwandfreie

Darstellung der Werkzeugkantenund -spitzen an. Abhilfe wirddurch Werkzeuge aus faserver-stärktem Kunststoff geschaffen.Diese sind nicht paramagnetischund zeigen daher keine Artefak-te. Auch weisen sie eine hoheSteifigkeit bei gleichzeitiger Fes-tigkeit auf. Bereits heute lassensich für hochgenaue Gewebedi-agnosen und -therapien multi-funktionale Punktionsnadelnherstellen, die bei einem Durch-messer von 900 Mikrometern biszu drei Kanäle aufweisen. Diesehaben jeweils einen Durchmesservon 200 Mikrometern und die-nen der Strahlführung eines La-sers zum Beschießen oder Abtra-gen kranken Gewebes, der En-doskopie zur ergänzenden Ope-rationsüberwachung sowie derZugabe von Flüssigkeiten zur lo-kalen Medikation.

In einem weiteren For-schungsbereich wird eine CAD/CAM-Prozesskette für die kom-plette Bandbreite keramischenZahnersatzes entwickelt. HeutigeProzessketten in der Zahnmedi-zin fokussieren auf die Herstel-lung von individuellem Zahner-satz unter Kleinserienbedingun-gen. Zukünftige Systeme sollendie gesamte Breite keramischenZahnersatzes von Inlays überKronen, Zahnstümpfen undKäppchen bis hin zu Brücken un-terstützen. Auf dem Weg vompräparierten Ist-Zustand desZahns beim Patienten bis zumfertigen Zahn sind dabei eineReihe von Schritten zu durchlau-fen.

Der abgeformte Ist-Zustanddes Zahns wird mit einem Laser-scanner digitalisiert. Die so ge-wonnenen Messpunkte werdenin ein CAD-System eingelesenund in die Koordinaten des zufertigenden Zahnersatzes über-führt. Die Konstruktion des Zah-nersatzes wird im nächstenSchritt in einen Datensatz zurSteuerung der Bearbeitungsma-schine umgesetzt, wobei materi-alspezifische Randbedingungensowie unterschiedliche Werkzeu-ge und Bearbeitungsstrategienzu berücksichtigen sind. Die an-schließende Formgebung desZahnersatzes erfolgt durch die 5-Achs-Schleifbearbeitung mitdem Ziel, Fertigungszeiten und -kosten drastisch zu reduzieren.Die maschinelle Fertigung sollferner zu höheren Passgenauig-keiten führen, so dass aufwändi-ge Anpassarbeiten durch denZahnarzt entfallen.

All diese Verbesserungenwerden den Zahntechniker je-doch nicht ersetzen können: Nurer kann den zu bearbeitendenMaterialblock nach ästhetischenGesichtspunkten hinsichtlich Far-be, Maserung oder Lichtdurch-lässigkeit auswählen. CAD/CAMwird in der Zahnmedizin die Tä-tigkeiten von Zahnärzten und -technikern entscheidend unter-stützen. Ziel ist es, keramischenZahnersatz preiswerter zu gestal-ten.

Auch die Fertigungsmess-technik kann einen Beitrag zurVermeidung der Kostenexplosionbei Therapie und Diagnostik lie-fern. Beispiele zur Steigerung desPatientennutzens liefern Innova-tionen wie das Patienten-Moni-toring oder auch die exakte Ein-haltung der Geometrien von Pro-thesen. Ein Schwerpunkt der Ar-beiten des Fraunhofer IPT ist dieKoordinatenmesstechnik zur Be-stimmung der makrogeometri-schen Merkmale von Regelgeo-metrien und Freiformflächen(wie zuvor am Beispiel des Zah-nersatzes gezeigt). Ein weiteresQualitätsmerkmal von Prothesensind die Eigenschaften des ver-wendeten Materials. So werdenzur Abschätzung der In-vivo-Lebensdauer von Herzklappen-prothesen Dauerfestigkeitsunter-suchungen und Spannungsana-lysen durchgeführt. Um die Mes-sungen auch unter sterilen Be-dingungen berührungslos durch-führen zu können, wird zukünf-tig ein optisches, laserbasiertesDehnungsmesssystem einge-setzt. Das interferometrischeMesssystem kombiniert Modulezur Form- und Deformations-messung, woraus Dehnungenund Spannungen im Prüfkörperabgeleitet werden können.

Abgerundet werden die ferti-gungs- und produkttechnischenEntwicklungen durch die syste-matische Entwicklung medizin-technischer Innovationen. Diebewährten Methoden des Inno-vationsmanagements lassen sichauf das Gebiet der Medizintech-nik übertragen. Ziel ist es, sichSchritt für Schritt den realen Ein-satzverhältnissen zu nähern, oh-ne die Patienten zu gefährden.Durch den engen Kontakt zuMedizinern in den frühen, kreati-ven Phasen werden Bedürfnisseerkannt und in Entwicklungszieleformuliert. Anschließend werdenim interdisziplinären AustauschLösungen konzipiert. Der richtige

Experte muss zum richtigen Zeit-punkt zu Rate gezogen werden.Die Lösungsalternativen werdenzeitgleich und kontinuierlich me-dizinisch, technisch und wirt-schaftlich bewertet. Am Endesteht die zielorientierte System-lösung, die den unterschiedli-chen Anforderungen von Patien-ten, Ärzten, Krankenhäusern undKrankenkassen genügt und einGesamtoptimum darstellt. Einebesonders gute Ausgangslagebietet in diesem Zusammenhang

Axel Demmer, Fritz Klocke, Tilo Pfeifer, Günter Schuh, Manfred Weck

Medizintechnische ProdukteInnovationen für den Menschen

M

15

der Hochschulstandort Aachen:Die technologischen Kompeten-zen und Forschungsmöglichkei-ten bieten zusammen mit derräumlichen Nähe zum Universi-tätsklinikum alle Voraussetzun-gen für die Entwicklung medizin-technischer Innovationen.

Autoren:

Dipl.-Ing. Axel Demmer istOberingenieur der AbteilungProzesstechnologie des Fraunho-fer-Instituts für Produktionstech-nologie IPT.Univ.-Prof. Dr.-Ing. Fritz Klockeist Inhaber des Lehrstuhls fürTechnologie der Fertigungsver-fahren, Leiter des Fraunhofer-In-stituts für Produktionstechnolo-gie IPT sowie Leiter des Labora-toriums für Werkzeugmaschinen

und Betriebslehre, WZL.Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Prof.h.c. Tilo Pfeifer ist Inhaber desLehrstuhls für Fertigungsmess-technik und Qualitätsmanage-ment und Direktor des Fraunho-fer-Instituts für Produktionstech-nologie IPT sowie am Laboratori-um für Werkzeugmaschinen undBetriebslehre, WZL.Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt.Ing. Günter Schuh ist Inhaberdes Lehrstuhls für Produktions-systematik und Direktor des

Fraunhofer-Instituts für Produk-tionstechnologie IPT sowie amLaboratorium für Werkzeugma-schinen und Betriebslehre, WZL.Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h.Manfred Weck ist Inhaber desLehrstuhls für Werkzeugmaschi-nen und Direktor des Fraunho-fer-Instituts für Produktionstech-nologie IPT sowie am Laboratori-um für Werkzeugmaschinen undBetriebslehre, WZL.

Bild 1: Sichtkontrolle der CNC-gefertigten Zahnfisur (Kau-

Foto: Peter Winandyflä che).

16

ie Bildgebung in der Medi-zin hat in den vergange-nen zwei Jahrzehnten

enorme Fortschritte gemacht.Moderne Verfahren wie Compu-tertomografie (CT) und Magnet-resonanztomografie (MRT) er-möglichen eine dünnschichtigeDarstellung ganzer Körperregio-nen innerhalb weniger Sekundenmit einer Auflösung, die im Sub-millimeterbereich liegt. Auch dieGefäßdarstellung (Angiografie)ist heute mit digitalen Systemenviel genauer und nebenwir-kungsärmer. Die modernen Bild-datensätze erlauben eine bessereund exaktere Diagnosestellungals früher.

Dabei ist der Übergang zurTherapie fließend. Das Binde-glied zwischen Diagnose undTherapie ist der hochgenaueBilddatensatz. Er kann gleichzei-tig als Grundlage genutzt wer-den, einen „Schleichweg” in dasKörperinnere zu suchen, in dasZentrum eines krankhaften Pro-zesses, vorbei an Blutgefäßenund wichtigen Organen. Ebensokann das Blutgefäßsystem alsZugangsweg zum Krankheitspro-zess genutzt werden, oder auch„Reparaturen” der Blutgefäßeselbst (Ballonaufdehnung vonEngstellen, Einbau von Gefäß-stützen, so genannten Stents)werden auf diesem Weg ausge-führt.

Die moderne Bildgebung bie-tet die Basis für die Diagnostikund die minimal-invasive Thera-pie. Minimal-invasive Eingriffelösen zunehmend große Opera-tionen ab. Hierdurch sinkt dieBelastung für die Patienten. DieZahl der Komplikationen vermin-dert sich und die Liegezeit imKrankenhaus wird verkürzt. Eini-ge minimal-invasive Eingriffesind sogar ambulant durchführ-bar.

Minimal-invasive Verfahrenumfassen Endoskopie (Spiege-lung), Laparoskopie (Knopfloch-Chirurgie) und die Interventio-nelle Radiologie. Letztere istnoch nicht allgemein bekannt,aber auf dem Vormarsch. Mannutzt radiologische Verfahren(Angiografie, CT, MRT), um aufschonendem Weg ans Ziel zu ge-langen. So können Gewebestü-cke aus einem Prozess entnom-men werden, um die genaue Zu-sammensetzung zu bestimmen(Biopsie), oder Tumorgewebekann unter örtlich dosierter Ein-wirkung von Kälte oder Hitze

zerstört werden (Kryo-, Thermo-ablation). Für die Thermoablati-on beispielsweise werden Laseroder Radiofrequenz-Sonden ver-wendet.

So zukunftsträchtig und öko-nomisch sinnvoll die bildgesteu-erte Therapie ist, so spannend istauch die maßgeschneiderte Ent-wicklung neuer Instrumente undVerfahren. Ein wesentlicher Mo-tor der technischen Entwicklungist die Miniaturisierung. Das Um-feld einer Technischen Hoch-schule bietet hier ein unschätzbarwertvolles Potenzial. Die Klinikfür Radiologische Diagnostik ar-beitet zusammen mit zahlreichenEinrichtungen der RWTH undmit den drei Aachener Fraunho-fer-Instituten, dem Helmholtz-Institut sowie regionalen Unter-nehmen.

Vereinfachend kann man dreiMiniaturisierungsebenen be-trachten, deren Größenordnungsich jeweils um den Faktor 1000unterscheidet: Mini, Micro undNano. „Mini” kennzeichnet denMillimeterbereich, in dem zurZeit gebräuchliche interventio-nelle Instrumente (Katheter,Sonden, Nadeln) liegen. Derfunktionell wichtige „Kopf” desInstruments (Katheterspitze, La-serapplikator, Ballon, rotierenderPropeller oder Impeller), beinhal-tet oft aber noch feinere Tech-nik, deren Design in den Mikro-meterbereich hineinreicht. Fallseine spezielle Oberflächenstruk-turierung vorgenommen wurde,ist oft auch bereits der Nanome-terbereich erreicht.

Ein Beispiel für einen Spezial-katheter mit einem kompliziertenMiniaturdesign der Katheterspit-ze ist das in unserer Klinik entwi-ckelte Pumpsystem zur vorüber-gehenden Unterstützung einesschwachen Herzens. Es wird imzusammengefalteten Zustandwie ein Herzkatheter nichtchirur-gisch über eine Punktion derLeistenarterie eingesetzt, bis indie linke Herzhöhle vorgeführt,

und dort entfaltet. Der entfaltba-re Rotor und das Gehäuse sindhochpräzise, lasergeschnitteneNitinol-Bauteile (Bild 1). UnsereKooperationspartner in diesemProjekt sind: Aachener Kompe-tenzzentrum Medizintechnik(AKM), Aerodynamisches Institut(AIA) der RWTH, Impella Cardio-technik AG, Medizinische Klinik Iund Institut für Versuchstierkun-de des Universitätsklinikums.

Begeben wir uns eine Minia-turisierungsebene weiter in den„Mikrokosmos”. Während dieMiniinstrumente durchaus schonmit „Micro-Features” ausgestat-tet sein können (strukturierteOberfläche, Mikroperforationen,integrierte Sensorik) ist dasMEMS der Inbegriff der so ge-nannten Mikrosystemtechnik.MEMS steht für „microelectro-mechanical system”, eine Inte-gration von Sensoren, Elektronik,Aktoren, Antennen, mechani-schen Strukturen und eventuellweiteren Komponenten aufkleinstem Raum. Die äußerenMaße eines solchen Systemskönnen zwar noch im Millimeter-bereich liegen, die Innereien je-doch sind alle „Micro” undplatzsparend zusammengepackt.Mit einer körperverträglichenVerkapselung ausgestattet eig-net sich ein solches MEMS her-vorragend als „intelligentes Im-plantat”.

Beispielhaft sei ein Systemvorgestellt, das federführend inunserer Klinik entwickelt wurde.Die Gefäßkapsel wird über einekleine Punktionsstelle radiolo-gisch gesteuert in einer arteriel-len Gefäßaufzweigung platziert.Dort verhakt sie sich dauerhaftmit ihren aufgespreizten Fortsät-zen. Ein integrierter Drucksensormisst den Blutdruck und die Puls-frequenz. Die Messwerte werdenüber einen integrierten Schalt-kreis digital verstärkt und übereine Antenne aus dem Körperin-neren nach außen gefunkt. DasSystem befindet sich zur Zeitnoch im Experimentalstadium.Ausgereift soll es eine nicht spür-bare und damit nicht beeinträch-tigende Dauerüberwachung fürPatienten mit Bluthochdruck undRhythmusstörungen bieten. Ko-operationspartner bei diesemProjekt sind das Institut fürWerkstoffe der Elektrotechnik(IWE-1) der RWTH und das Du-isburger Fraunhofer-Institut fürMikroelektronische Schaltungen(IMS).

Zum Schluss noch ein Aus-flug in die Nanowelt. Zur Ent-wicklung der Nanotechnologiegibt es viele Visionen. Die sichselbst replizierenden Systemeund die so genannten Nanoro-botor gehören auf absehbareZeit der Fiktion an. Hingegenheute schon verwirklicht sind na-nostrukturierte Oberflächen undmaßgeschneiderte Nanopartikel.So eignen sich Eisenoxid-Nano-partikel mit einem Durchmesservon 20-200 nm, so genannteFerrofluide, als Kontrastmittel inder MRT. Bereits in einer sehrgeringen Konzentration werdensie in bestimmten MRT-Untersu-chungssequenzen signalreich imBild dargestellt. Werden dieseFerrofluide mit einer körperver-träglichen Hülle aus Dextran um-mantelt, lassen sich spezielle Bin-dungspartner (Liganden) an dieHülle ankoppeln. Wird das Kon-trastmittel über eine Vene in denKörper eines Patienten injiziert,gehen die Liganden eine Bin-dung mit passenden Rezeptorenein, die beispielsweise auf derZellmembran von Tumorzellensitzen können. So kann man er-reichen, dass das Kontrastmittelsich spezifisch in bestimmtenKrankheitsprozessen anreichert,etwa mit dem Ziel Tumoren undAbsiedlungen im Frühstadium zuerkennen. Weiterhin arbeiten wiran einer Methode, die an denTumorzellen angereichertenFerrofluide über ein externesMagnetfeld induktiv zu erwär-men. Die Erwärmung kann zurgezielten Freisetzung von Medi-kamenten genutzt werden.

Autoren:

Univ.-Prof. Dr. med. Rolf Gün-ther ist Inhaber des Lehrstuhlsfür Radiologische Diagnostik undDirektor der Klinik für Radiologi-sche Diagnostik.Prof. Dr. med. Dipl.-Ing. ThomasSchmitz-Rode ist LeitenderOberarzt in der Klinik für Radio-logische Diagnostik.

Rolf Günther, Thomas Schmitz-Rode

Experimentelle RadiologieInstrumente und Verfahren für die bildgesteuerte Therapie

D

Bild 1: Der Aachener RadiologeProf. Thomas Schmitz-Rode mitdem Prototyp einer im Herzenentfaltbaren Miniblutpumpeund dem Katheterschlauch als

Foto: Peter Winandy

17

Zufü hrungsleitung.

18

enn die Hälfte der Weltverloren geht, mussdies nicht unbedingt ei-

ne Störung des Sehens sein. Eskann auch ein Neglekt-Syndromvorliegen. Patienten mit diesemSyndrom vernachlässigen eineKörper- und Raumhälfte.

„Manchmal beklagt sie sich,ihre Portionen seien zu klein,aber das kommt davon, dass sienur von der rechten Hälfte desTellers isst. Es kommt ihr nicht inden Sinn, dass er auch eine linkeHälfte hat. Manchmal trägt sieLippenstift und Make-up auf –aber nur auf der rechten Seite ih-res Gesichts, die linke lässt sievöllig unbeobachtet”. So be-schreibt Oliver Sacks eine Patien-tin, deren Hirn nach einemSchlaganfall geschädigt ist, unddie als Folge davon an einem Ne-glekt-Syndrom leidet. SolcheAusfälle sind gar nicht so selten:Neglekt-Syndrome beeinflussendie Rehabilitation von Patientennegativ, sofern sie nicht rechtzei-tig erkannt und behandelt wer-den.

Patienten mit einem Schlag-anfall werden von einem Augen-blick auf den anderen aus ihremnormalen Leben gerissen, siewerden sprachlos, weil ihrSprachzentrum betroffen ist,oder halbseitengelähmt, weil diemotorischen Steuerungszentrendurch den Schlaganfall in Mitlei-denschaft gezogen sind. BeimSchlaganfall zählt jede Minute,wie bei einem Herzinfarkt ist dieschnelle Hilfe entscheidend fürdas später verbleibende Ausmaßan Behinderung.

Kernspintomographie zur Dar-stellung von HirnfunktionenAls ein wichtiges diagnostischesVerfahren hat sich in der Akut-phase des Schlaganfalls die Kern-spintomographie etabliert, mitder die Neurologen und Neuro-radiologen des Universitätsklini-kums Schlaganfallpatienten un-tersuchen, um Schichtaufnah-men des Gehirns anzufertigen.Die Kernspintomographie nutzteinen einfachen physikalischenEffekt um nicht-invasiv morpho-logische und funktionelle Bilderdes Gehirns zu erstellen. Wasser-stoffkerne haben einen Spin(Drehimpuls), sie rotieren wie einKreisel um ihre eigene Achse.Kommt ein solcher Wasserstoff-kern in ein starkes Magnetfeld,so richtet sich seine Achse in ei-nem bestimmten Winkel zum

Magnetfeld aus. Impulsartig ein-gestrahlte elektromagnetischeWechselfelder – Radiowellen,wenn wir sie in den freien Raumausstrahlen würden – sind in derLage, dem Wasserstoffkern kurz-fristig eine neue Orientierung zugeben. Nach dem Ende eines sol-chen Anregungsimpulses kreiseltder Wasserstoffkern in seine ur-sprüngliche Lage zurück und gibtdabei die aufgenommene Ener-gie wieder ab, indem er selberein Radiosignal aussendet, dasvom Tomographen gemessenwerden kann. Das empfangeneSignal hängt davon ab, wie vieleKerne sich an einem Ort aufhal-ten. Wasserstoffkerne sind in al-len unseren Organen und somitnatürlich auch im Gehirn.

Der gemessene Signalverlaufist im erkrankten Hirngewebeanders als im gesunden. So führtein Schlaganfall zu einer vermin-derten freien Diffusion der Was-serstoffprotonen im Zellraum.Dieses veränderte Signalverhal-ten kann dann mithilfe einer spe-ziellen Messsequenz genutztwerden, um das erkrankte Hirn-gewebe darzustellen.

Die funktionelle Kernspin-tomographie – ein Fenster zumGehirnSpezielle Messsequenzen erlau-ben auch die Darstellung vonHirnfunktionen, was als funktio-nelle Kernspintomographie be-zeichnet wird. Dieses Verfahrenmacht sich den „Blood oxygena-tion level dependent” (BOLD)-Effekt zunutze: Der Sauerstoff-gehalt des Blutes nimmt in denBereichen des Gehirns ab, in de-nen die Nervenzellen besondersaktiv sind.

Wissenschaftler der RWTHAachen und des Universitätskli-nikums nutzen dieses Verfahrenum aufzuzeichnen, welche Hirn-regionen aktiviert sind, wennAufmerksamkeitsaufgabendurchgeführt werden: Im Rah-men einer von der DFG geför-derten klinischen Forschergrup-pe, in der Ärzte und Psychologender Neurologie, Neuroradiologie,Neurochirurgie, Psychiatrie undKinder- und Jugendpsychiatriemit Ingenieuren, Physikern undPsychologen zusammenarbeiten,werden Aufmerksamkeitsleistun-gen, ihre neurobiologischenGrundlagen und ihre Störungenuntersucht sowie Studien zu de-ren therapeutischer Beeinfluss-barkeit durchgeführt.

Computer – unverzichtbare Helfer für die BildanalyseMathematisch anspruchsvolleund aufgrund der enormen Bild-datensätze rechenaufwändigeVerarbeitungsverfahren sind not-wendig, um aus den primärenMesssignalen dreidimensionaleBilddatensätze herzustellen. Zu-nehmend liefern Computer aberauch wichtige Beiträge für dieBildanalyse, das heißt für das He-rauslösen diagnoserelevanterMerkmale aus den umfangrei-chen Bilddatensätzen. Computerliefern quantifizierte Resultate,die für vergleichende Auswer-tungen unerlässlich sind. Sie sindunbestechlich, einmal program-miert reproduzieren sie alleFunktionen und Abläufe bestän-dig. Und schließlich sind sie ska-lierbar, indem sie bezüglichDurchsatz und Geschwindigkeitallein durch technischen Auf-wand in weiten Grenzen an dieAufgabe angepasst werden kön-nen.

Mit diesen Eigenschaftensind Computer eine wertvolle Er-gänzung bei komplexen Bildana-lyseaufgaben in der medizini-schen Diagnostik. In einem en-gen Bezug zu den oben beschrie-benen diagnostischen Aufgabenstehen auch Forschungsvorha-ben in der NuklearmedizinischenKlinik wo eine Methode entwi-ckelt wurde, mit der funktionellwichtige Areale des Hirns inKernspintomographie-Datensät-zen weitgehend automatischidentifiziert werden können. Diesist ein wichtiger Schritt auf demWeg zu individuellen Hirnatlan-ten, mit denen neurochirurgischeEingriffe präziser und schonen-der geplant werden könnten.

Auf diesen Ergebnissen auf-bauend wurden Algorithmenentwickelt, mit denen die Fusionvon Abbildungen des Hirns mitunterschiedlichen Abbildungs-techniken verbessert werdenkonnte. Komplementär zur Rönt-gen- und Kernspintomographiesind nuklearmedizinische Dar-stellungen für die Diagnostik in-teressant: Wenn am Stoffwech-sel beteiligte Substanzen radio-aktiv markiert werden, kann dieStoffwechselaktivität in einzel-nen Hirnregionen verfolgt wer-den. Dazu sind hochempfindli-che Detektorsysteme erforder-lich, aus deren Signalen tomo-graphische Abbildungen rekon-struiert werden – Bilder, die dieMorphologie zwar nicht detail-

liert wiedergeben können, dafüraber funktionelle Aufschlüsse lie-fern. Um diese so genanntenPET- oder SPECT-Bilder mit denmorphologisch detaillierterenKernspin- oder Röntgen-CT-Bil-dern zu verschmelzen, musstendie unterschiedlichen Koordina-tensysteme zur Deckung ge-bracht werden.

Durch eine umfassende inter-disziplinäre Zusammenarbeitwerden die Entwicklung neuerVerfahren und die Verbesserungbereits etablierter Techniken der diagnostischen Bildgebung und Bildanalysen an der RWTHvorangetrieben. Zu nennen sindbeispielsweise das Institut für All-gemeine Elektrotechnik und Da-tenverarbeitung, das an verbes-serten Rekonstruktionsverfahrenfür die Kernspintomographie ar-beitet, oder der Lehrstuhl fürMesstechnik und Bildverarbei-tung, der grundlegende Vorar-beiten für chirurgische Navigati-onstechniken geleistet hat unddessen Aktivitäten zurzeitschwerpunktmäßig auf einemesstechnische Auswertung me-dizinischer Bilder ausgerichtetsind.

Autoren:

Univ.-Prof. Dr. med. Gereon Finkist Leiter des Lehr- und For-schungsgebiets Kognitive Neuro-logie in der NeurologischenKlinik. Univ.-Prof. Dr.-Ing. DietrichMeyer-Ebrecht ist Inhaber desLehrstuhls für Messtechnik undBildverarbeitung.

Gereon R. Fink, Dietrich Meyer-Ebrecht

Vom Schlaganfall zur Lokalisationvon DenkprozessenKernspintomographie und Hirnfunktion

W

19

Innovation und Partnerschaft.

Our challenge is life.

AV 9

03 0

0 08

4c

Mit innovativen Arzneimittelnund Serviceleistungen in einemausgewählten Spektrum wich-tiger Therapiegebiete sind wirbedeutender Partner für Ärzte,Apotheker und Patienten.

Gemeinsam erschließen wir neueWege in der Behandlung undPrävention von Krankheiten.Unser Ziel ist es, Gesundheit zuschaffen, um die Lebensqualitätder Menschenweltweitzu steigern.

www.pharma.aventis.de

20

eit Anfang 2002 besteht ei-ne enge Kooperation der Kli-nik für Nuklearmedizin mit

dem Institut für PhysikalischeChemie und der MedizinischenKlinik I auf dem Gebiet der Herz-stoffwechseluntersuchungen mitHilfe der 31-P-Kernspinspektro-skopie. Dieses Verfahren, das nuran wenigen Zentren verfügbarist, ist die einzige Methode mitder der Herz-Muskelstoffwechselnicht-invasiv und ohne radioakti-ve Markierung innerhalb desmenschlichen Körpers untersuchtwerden kann. Dazu werden ineinem eigens dazu ausgerüstetenKernspintomographen mittelsspezieller Messsequenzen dieenergiereichen Phosphatverbin-dungen Adenosintriphosphat(ATP) und Phosphocreatin (PCr)in den Herzmuskelzellen nachge-wiesen und deren Gehalt in derZelle bestimmt. ATP und PCrsind dabei die Energielieferanten,die zur aktiven Muskeltätigkeiterforderlich sind. ATP stellt densehr schnell verfügbaren Ener-giespeicher dar, PCr eine ArtZwischenspeicher. Veränderun-gen am Stoffwechsel führen an-fangs zu einer Abnahme desZwischenspeichers. Erst wennmassive Veränderungen amStoffwechsel auftreten, kommtes auch zu einer Abnahme desATP.

Im Rahmen eines vom Interdisziplinären Zentrum für Klinische Forschung (IZKF)„BIOMAT.“geförderten Projek-tes befassen sich Ärzte und Che-miker gemeinsam mit der Erfor-schung der Auswirkungen vonHerzerkrankungen auf den Herz-muskelstoffwechsel. BesonderesAugenmerk wird dabei auf Pati-enten gerichtet, die an einerchronischen Minderdurchblu-tung des Herzmuskels leiden,wobei geklärt werden muss, obder Patient von einer durchblu-tungswiederherstellenden Maß-nahme profitiert. Bisher wurdendiese Patienten in der Klinik fürNuklearmedizin mit der 18FDG-Positronen-Emissions-Tomogra-fie (PET) untersucht, um den re-gionalen Zuckerverbrauch desHerzmuskels als einen Indikatorfür einen erhaltenen Stoffwech-sel, etwa nach einem Herzin-farkt, zu beurteilen. Die 31-P-Kernspinspektroskopie wird der-zeit an einer ausgewählten Pati-entengruppe zusätzlich zur18FDG-PET durchgeführt, einer-seits um die Ergebnisse beider

Verfahren miteinander zu ver-gleichen (Grundlagenforschung),andererseits aber auch um ge-gebenenfalls in Zukunft die diag-nostische Genauigkeit der18FDG-PET durch die zusätzli-chen Befunde aus der 31-P-Kernspinspektroskopie weiterverbessern zu können.

Die Untersuchungen werdenvon den Ärzten der Klinik fürNuklearmedizin in Zusammenar-beit mit den Kardiologen durch-geführt. Die Auswertungen dergewonnenen Datensätze erfolgtin enger Kooperation mit demInstitut für Physikalische Chemie,in dem seit Jahren die Kernspin-spektroskopie zur Materialerfor-schung betrieben wird.

Neben der Anwendung derKernspinspektroskopie in der Er-forschung von Herzerkrankun-gen liegt ein zweiter Schwer-punkt der Arbeitsgruppe auf derWeiterentwicklung des Verfah-rens, um immer kleinere Proben-volumina zu messen, da derzeitdas minimale Probenvolumen beicirka 30 ml liegt.

„Interdisziplinarität ist unswichtig”Dem Institut für PhysikalischeChemie der RWTH ist Interdiszi-plinarität sehr wichtig. Man freutsich besonders, nach Kooperatio-nen mit Pharmafirmen und denIngenieurwissenschaften, nunauch interdisziplinäre Projektemit der medizinischen Fakultät

der RWTH realisieren zu können.In diesem Verbundprojekt mitder Klinik für Nuklearmedizinund der Medizinischen Klinik I istes möglich, die große Kompe-tenz auf dem Gebiet der Kern-spinspektroskopie einzubringen.Dieses Projekt ist von besondererBedeutung, da die Mitarbeiterdes Instituts so einen Beitrag zurmedizinischen Forschung undzur Verbesserung der Patienten-versorgung leisten können.

„Vielfältige Untersuchungs-ansätze”Die 31-P-Kernspinspektroskopieeröffnet den Mitarbeitern derKlinik für Nuklearmedizin neueund vielschichtige Untersu-chungsansätze, da die Auswir-kungen aller Erkrankungen, diedirekt oder indirekt den Herz-muskelstoffwechsel beeinflussen,untersucht werden können. Da-rüber hinaus kann die Wirkungvon herzwirksamen Medikamen-ten im Krankheitsverlauf beur-teilt werden, da die Kernspin-spektroskopie ein wenig belas-tendes Untersuchungsverfahrenist, welches im Verlauf problem-los mehrmals wiederholt werdenkann.

Weitere EinsatzmöglichkeitenDie 31-P-Kernspinspektroskopiewird derzeit nicht nur zu For-schungszwecken sondern auchin der Routine eingesetzt. Hierwerden Fragestellungen von ver-

schiedenen Fachdisziplinien andie Untersucher herangetragen,die vorwiegend aus dem For-menkreis der Stoffwechselstö-rungen der Arm- oder Beinmus-kulatur stammen. So können denüberweisenden Ärzten wertvolleInformationen über die Stoff-wechsellage der Muskulatur ge-geben werden, ohne dass derPatient dafür einen invasivenEingriff erleiden muss.

Autoren:

Univ.-Prof. Dr. med. UdalrichBüll ist Direktor der Klinik fürNuklearmedizin.Prof. Dr. phil.nat. Andreas Dölleist Professurvertreter am Lehr-stuhl für Physikalische Chemie Iund im Institut für PhysikalischeChemie.Dr. rer.med. Dipl.-Phys. Wolf-gang Schäfer ist Assistenzarzt inder Klinik für Nuklearmedizin.

Udalrich Büll, Andreas Dölle, Wolfgang Schäfer

Dem Herzstoffwechsel auf der SpurKlinische Anwendungen der 31-P-Kernspinspektroskopie

S

Bild 1: Spektren der Unterschen-kelmuskulatur eines Patientenund einer Kontrollperson. Dieenergiereichen Phosphatverbin-dungen sind in der Muskulaturdes Patienten deutlich vermin-

Energiestoffwechsels vorliegenmuss.

dert, so dass eine Stö rung des

22

erzerkrankungen sind diehäufigsten Todesursachenin industrialisierten Län-

dern. In Deutschland standen1999 die Krankheiten des Kreis-laufsystems mit 48 Prozent derTodesfälle an erster Stelle, ge-folgt von Tumorleiden mit 25Prozent und Krankheiten der At-mungsorgane mit 6 Prozent.

Kommt es trotz einer maxi-malen medikamentösen Therapiezu einem Pumpversagen, kommtals letzte Maßnahme die Herz-transplantation in Betracht. We-gen des zunehmenden Mangelsan Spenderherzen und einerdeutlich rückläufigen Zahl vonHerztransplantationen müssenimmer öfter Blutpumpen zurÜberbrückung bis zur Transplan-tation implantiert werden. Vorein paar Jahren wurde entdeckt,dass es bei einigen Patientenwährend der Entlastung des Her-zens zur Erholung des Organskam und die Patienten von denBlutpumpen entwöhnt werdenkonnten. Kommt eine Herztrans-plantation zum Beispiel aufgrunddes hohen Patientenalters oderschwerwiegender Begleiterkran-kungen nicht in Frage, könnenBlutpumpen als temporäre The-rapie oder als permanentes Er-satzsystem eingesetzt werden.

In Aachen werden von denFirmen Medos AG und ImpellaAG gemeinsam mit dem Institutfür Biomedizinische Technologi-en (vormals Helmholtz-Institut)und der Klinik für Thorax-, Herz-und Gefäßchirurgie Blutpumpenfür verschiedene Zwecke entwi-ckelt und klinisch eingesetzt. DieBehandlung von Patienten miteinem Pumpversagen des Her-zens stellt einen klinischen undwissenschaftlichen Schwerpunktder Klinik für Thorax-, Herz- und Gefäßchirurgie des Univer-sitätsklinikums Aachen dar. Wirstellen hier fünf dieser Blutpum-pen für verschiedene Anwen-dungen vor, die vom Einsatz inder vereinfachten Herz-Lungen-Maschine bis zum komplettenErsatz des natürliches Herzensreichen.

DeltastreamDie Deltastream ist eine Rotati-onsblutpumpe, die in einer ver-einfachten Herz-Lungen-Ma-schine (Bild 1) eingesetzt werdenkann. Auch die Herz-Kreislauf-Unterstützung auf Intensivstatio-nen oder während eines Patien-tentransports ist mit dieser Pum-pe durchführbar.

Sie hat einen integriertenbürstenlosen Gleichstrommotor,der ein diagonal beschaufeltesLaufrad antreibt. Die Delta-stream besitzt trotz ihrer gerin-gen Baugröße (Durchmesser 40mm – Länge 150 mm) eine För-derleistung von bis zu zehn Litern Blut/min. Trotz der ver-kleinerten Bauart konnte im Rah-men der Entwicklung nachge-wiesen werden, dass die Delta-stream keine höhere Blutschädi-gung als die bislang verwende-ten Systeme verursacht. DiePumpe ermöglicht sowohl einenpulsierenden als auch einen sta-tionären Blutfluss.

In Tierversuchen wurde dieDeltastream allein und in Kombi-nation mit einem Oxygenator alsvereinfachte Herz-Lungen-Ma-schine getestet, um die allgemei-ne Biokompatibilität und dieHäufigkeit der Gerinnselbildungzu untersuchen. Dabei wurdeneine hohe Dauerfestigkeit, einevernachlässigbare Blutschädi-

gung und eine geringe Neigungzur Gerinnselbildung der Deltas-tream nachgewiesen.

Die Entwicklung wurde imJahr 2000 abgeschlossen und istseither bei der Stolberger FirmaMedos Medizintechnik AG inProduktion. Die Deltastream be-findet sich seit Herbst 2001 inder klinischen Anwendung. Biszum März 2002 wurde die Del-tastream im Rahmen einer ver-einfachten Herz-Lungen-Ma-schine bei sieben Herzoperatio-nen an der Klinik für Thorax-,Herz- und Gefäßchirurgie erfolg-reich eingesetzt. Die ersten Er-fahrungen zeigten, dass die all-gemein schädigende Wirkungder Deltastream geringer war alsbei herkömmlichen Herz-LungenMaschinen. Damit erholten sichdie Patienten nach der Operationrascher, was zu einer Verkürzungdes Krankenhausaufenthaltesund damit zu einer Verringerungder Kosten für die Operationenführte.

MikrodiagonalpumpeAls verkleinerte Variante der Del-tastream wird die Mikrodiago-nalpumpe als eine Blutpumpe zurlangfristigen Herzunterstützungbis zur Herztransplantation oderals Dauerlösung für Patienten,bei denen eine Herztransplanta-tion nicht in Frage kommt, ent-wickelt. Bei dieser Version wirddas diagonal beschaufelte Lauf-rad über eine Magnetkupplungangetrieben. Der geförderteBlutstrom umströmt den Motorin einem Ringkanal und sorgt füreine ausreichende Wärmeabfuhr.

Ein wesentliches Merkmaldieser implantierbaren Langzeit-pumpe ist die Lagerung desLaufrades im Blut, wodurchDichtungen vermieden werdenkönnen, die sich für den Lang-zeiteinsatz als ungeeignet erwie-sen haben. Weiterhin sind imLaufrad Spülbohrungen inte-griert, die eine ausreichende Be-spülung auf der Rückseite desLaufrades gewährleisten und da-mit die Gerinnselbildung vermei-den.

Die Förderleistung von fünfLitern Blut/min erreicht die Pumpe bei einer Motordrehzahlvon cirka 7000 U/min. Der Leis-tungsbedarf liegt hierbei unterzehn Watt und ist vergleichbarmit anderen implantierbarenBlutpumpen. Auch für die Mikro-

Mustafa Akdis, Rüdiger Autschbach, Stefan Christiansen, Frank Förster, Christof Göbel, Paul Kwant, Helmut Reul

Aachener Blutpumpen für das kranke Herz

H

Bild 1: Anwendung der Rota-tionsblutpumpe Deltastream.

23

diagonal-Pumpe wurde in Labor-versuchen eine geringe Blutschä-digung nachgewiesen.

In chronischen Tierversuchenbis zu zehn Tagen zeigte dieMikrodiagonalpumpe keine Ge-rinnselbildung. Diese Pumpestellt eine vielversprechende Al-ternative zu den derzeit beste-henden Herzunterstützungs-systemen dar.

VERSUSDie Herztransplantation ist beichronischem Herzversagen meistdie einzige Therapiemöglichkeit.Bei einigen Patienten wurdewährend der Herzunterstützungdurch eine Blutpumpe eine Erho-lung des eigenen Herzens nach-gewiesen, sie konnten ohneTransplantation von der Herzun-terstützung entwöhnt werden.

Für diese Indikation wurdedie Verdrängerpumpe VERSUSam Helmholtz-Institut entwi-ckelt. Diese Pumpe wird imBrustkorb implantiert. Zu diesemZweck ist ein neuartiges Getriebeentwickelt worden, das die kon-tinuierliche unidirektionale Dre-hung eines Motors in geradlinige

Bewegungen einer Verdränger-platte überträgt. Es basiert aufdem Prinzip einer Taumelschei-be. Das Ergebnis ist eine flachePumpe mit einer Kunststoff-Pumpkammer.

Die VERSUS-Pumpe fördert1,9 bis 3,6 Blut l/min bei 80 bis140 Schlägen pro Minute. DieLeistungsaufnahme beträgt 4,1Watt. Die Pumpe hat sich bereitsohne technische Probleme inTierversuchen bewährt. Sie bie-tet einen vielversprechenden An-satz, das natürliche Herz für einegewisse Zeit teilweise zu entlas-ten und damit eine Erholung desHerzmuskels zu ermöglichen.

ACcorDas ACcor wird ebenfalls amHelmholtz-Institut entwickeltund ist eine doppeltwirkendeMembranpumpe, die das natürli-che Herz ersetzen soll. Das ACcor stellt eine ausreichendeOrgandurchblutung sicher undkann als Überbrückung bis zurHerztransplantation oder even-tuell als Alternative dazu einge-setzt werden.

Die Pumpe besteht aus dreiBaugruppen: Zwei Membran-pumpkammern mit Ein- undAuslassklappen sowie dem elek-tromechanischen Druckplatten-antrieb. Die Pumpkammern wer-den einlassseitig mit den beidenverbliebenen Vorhöfen des Her-

Blick in das Testlabor. Vermes-sung unterschiedlicher Rotor-geometrien von Blutpumpen amProfilgenerator.Foto: Peter Winandy

24

zens verbunden und auslassseitigan die Körper- bzw. Lungen-schlagader angeschlossen. DerAntrieb arbeitet nach dem Ver-drängerprinzip.

Das Kunstherz ACcor ist anhydraulischen Kreislaufsimulato-ren getestet worden. Es fördertein Herzminutenvolumen von 4bis 8 L/min gegen einen Druckvon 80 bis 140 mmHg. Gegen-wärtig wird eine verkleinerteVersion des ACcor zur Gewichts-reduzierung entwickelt. In Koo-peration mit den Universitätskli-niken Wien und Aachen sind ers-te tierexperimentelle Studiendurchgeführt worden. DasKunstherz ACcor konnte für achtStunden die gesamte Kreislauf-funktion übernehmen. Aufbau-end auf diesen Versuchen wer-den zur Zeit weitere längerfristi-ge Versuche in Aachen vorberei-tet.

Impella RecoverDie Technik der Mikroaxialpum-pen führte zunächst zu der Ent-wicklung der Impella-Elect-Pum-pe. Diese Pumpe wurde zur Sta-bilisierung des Herzens währendminimal-invasiver Herzoperatio-nen bei über 140 Patienten er-folgreich eingesetzt. Diese Erfah-rungen wurden bereits im Jahre2000 publiziert. Die Impella-Re-cover-Pumpe stellt eine Weiter-entwicklung der Impella-Electdar und wurde für eine länger-fristige Unterstützung nachHerzoperationen entwickelt.

Wichtig während der For-schungsarbeiten waren die Ver-kleinerung von Komponentensowie die Verringerung von blut-schädigenden Effekten. Ver-schiedene grundsätzliche Ansät-ze zur Strömungsuntersuchungwurden dafür verfolgt: Kennfeld-messungen zur Bestimmung in-tegraler Größen, Strömungs-sichtbarmachung mit PIV (Parti-cle Image Velocimetry) sowienumerische Strömungssimulatio-nen der Pumpe.

Die Impella Recover wird inder linken Herzkammer platziert.Mit nur 6,4 mm Durchmesserund einer Pumpleistung von biszu 4,5 Litern Blut/min ist es daserste intravasale Langzeitsystemfür die Herzchirurgie. Es bestehtaus der Pumpe, der zugehörigentransportablen Konsole mit Ba-sisstation zur Steuerung derPumpe und einer Spritzeninfusi-onspumpe zur Spülung der Pum-penlagerung.

Die Impella Recover hat imSeptember 2001 die klinischeZulassung erhalten und befindetsich zurzeit in einer europäischenStudie. Unter anderem konntebei einem Patienten mit einemHerzversagen aufgrund einesausgedehnten Herzinfarktes dieHerzfunktion nach sechstägigerEntlastung mit der Impella-Reco-ver-Pumpe wieder soweit herge-stellt werden, dass der Patientzur Rehabilitation entlassen wer-den konnte.

Bisher sind die ersten klini-schen Ergebnisse positiv und dasImpella-Recover-System hat dasPotenzial, in der Behandlungherzkranker Patienten einen gro-ßen Anwendungsbereich zu fin-den.

SchlussfolgerungDie Ein-Jahres-Überlebensratenach Herztransplantation liegtbei 79 Prozent. Allerdings führtder Mangel an Spenderorganendazu, dass bis zu 25 Prozent derPatienten während der Wartezeitauf ein Spenderorgan verster-ben. Blutpumpen können helfen,die Anzahl dieser Patienten zuverringern oder möglicherweisedie Herztransplantation vollstän-dig zu ersetzen.

Blutpumpen, wie die Delta-stream und die Impella Recover,haben sich bei ersten klinischenEinsätzen bewährt. Die VERSUS-und die Mikrodiagonal-Pumpestellen vielversprechende Alter-nativen zu den bestehendenHerzunterstützungssystemendar. Das ACcor bietet die Mög-lichkeit zur Überbrückung bis zurHerztransplantation oder kannzukünftig sogar als permanenterErsatz dienen.

Diese Arbeiten werden ge-fördert durch das Bundesministe-rium für Bildung und Forschung(BMBF), die Deutsche For-schungsgemeinschaft (DFG) unddas Aachener Kompetenzzent-rum Medizintechnik (AKM).

Autoren:

Dipl.-Ing. Mustafa Akdis ist Wis-senschaftlicher Mitarbeiter im In-stitut für Biomedizinische Tech-nologien (IBMT) und Ansprech-partner für die Mikrodiagonal-pumpe.Univ.-Prof. Dr. med. RüdigerAutschbach ist Direktor der Klinikfür Thorax-, Herz- und Gefäß-chirurgie.Dr. med. Stefan Christiansen istChirurg in der Klinik für Thorax-,Herz- und Gefäßchirurgie.Dipl.-Ing. Frank Förster ist Wis-senschaftlicher Mitarbeiter amInstitut für BiomedizinischeTechnologien (IBMT) und An-sprechpartner für das VERSUS-Projekt.Dipl.-Ing. Christof Göbel ist Wis-senschaftlicher Mitarbeiter im In-stitut für Biomedizinische Tech-nologien (IBMT) und Ansprech-partner für die Deltastream-Pumpe.Dipl.-Ing. Paul B. Kwant ist Wis-senschaftlicher Mitarbeiter im In-stitut für Biomedizinische Tech-nologien (IBMT) und Ansprech-partner für das ACcor Projekt.Prof. Dr.-Ing. Helmut Reul istLeiter der Abteilung Cardiovas-kuläre Technik des Instituts fürBiomedizinische Technologien(IBMT).

25

pen. Suche nach der optimalen

(Thrombenbildung).

Geometrie fü r eine bessere

Laufradvariationen fü r Blutpum-

Blutfö rderung, weniger Blut-

weniger Gerinnselneigung

Foto: Peter Winandy

schä digung (Hä molyse) und

26

ormalerweise strömt dasBlut unbeschadet durchdas Gefäßsystem unseres

Körpers. Nur bei bedrohlichen Situationen werden Schutzaktivi-täten in Gang gesetzt. Im Falleeiner inneren oder äußeren Ver-letzung der Blutgefäße – eines„Lecks” – wird die Gerinnungaktiviert. Als erste Helfer tretendie Blutplättchen (Thrombozy-ten) in Aktion und dichten dasLeck ab. Wenn die roten Blutkör-perchen (Erythrozyten) altern,verändern sie ihre Membranei-genschaften, werden spröde,hart und durchlässiger. Sie verlie-ren ihren roten Blutfarbstoff, dasHämoglobin. Die Membranrestewerden zum Beispiel in der Milzabgebaut. Man spricht von Hä-molyse.

Diese „hilfreichen” lebens-notwendigen Mechanismen wer-den aber auch aktiviert, wennBlut in technischen Systemen wieBlutpumpen, die beispielsweiseam Institut für BiomedizinischeTechnologien (IBMT) entwickeltwerden, strömt. Solche Blutpum-pen verschiedenster Bauart undLeistung werden zur Kreislaufun-terstützung oder zur vollständi-gen Übernahme der Kreislauf-funktion eingesetzt. Das kann füreinige Stunden während einerOperation oder für Monate, wiebei der Wartezeit auf ein Spen-derorgan, der Fall sein.

In den Pumpen strömt dasBlut nun an körperfremden Ma-terialoberflächen entlang. DieStrömung ist mit hohen örtlichenSchubspannungen von bis zu400 N/m2 an den Blutzellen beiBelastungsdauern im Bereichvom Millisekunden oft nichtmehr physiologisch. Beides kannzur Bluttraumatisierung, zu ma-terial- und strömungsinduzierterBlutschädigung führen. Da dieStrömungsverhältnisse in intra-und extrakorporalen Blutpumpen(dazu zählt auch das Kunstherz)sehr komplex sind, sollte die Un-tersuchung der möglichen Ein-flüsse der Fremdmaterialoberflä-chen unter definierten Strö-mungsbedingungen erfolgen.Diese konnten in einem Couette-System verwirklicht werden. InZusammenarbeit mit dem Insti-tut für Physiologie konnten dieStudien dann im Helmholtz-Insti-tut, jetzt IBMT, im Rahmen desInterdisziplinären Zentrums fürklinische Forschung – IZKF „BIO-MAT.” – konzipiert und durch-geführt werden.

Bei den Experimenten warendie Ingenieurinnen und Inge-nieure der Fachrichtung Medi-zintechnik nun insbesondere denroten Blutkörperchen auf derSpur. Es galt die Frage zu klären,ab wann, beziehungsweise abwelcher Schubspannung undwelcher Belastungsdauer beiKörpertemperatur die Erythrozy-

ten der Gefahr der Hämolyseausgesetzt waren. Als Maß derSchädigung wurde der „Index ofHemolysis” (IH) bestimmt. Eszeigte sich eine positive Überra-schung: Die Erythrozyten über-lebten sowohl bei Versuchen mit Schweine- als auch mit Hu-manblut eine viel höhere Scher-belastung als früher vermutet

Birgit Glasmacher, Khosrow Mottaghy

Stress für BlutzellenBlutschädigung in medizinischen Systemen

N

Bild 1: Die rasterelektronen-mikroskopischen Aufnahmen

lastet wurden. In ihrem aktivier-ten Zustand bilden sie Zellfort-

zeigen adhä rende Thrombozyten

die durch Strö mungskrä fte be-

sä tze aus.

auf kö rperfremden Oberflä chen,

27

Eine Überraschung allerdingsbot die Analyse der mittels Coul-ter Counter gemessenen Zellzah-len vor und nach Passage durchdas Couette-System. Schondeutlich bevor es für die Erythro-zyten kritisch wird, zeigten dieThrombozyten heftige Reaktio-nen. Ihre Zahl sank zunächst ummehr als die Hälfte ab. Die ver-mutete flächendeckende Throm-bozytenadhäsion konnte nichtnachgewiesen werden. Bei höhe-ren Scherraten bis zu 180.000 s-1

stieg die Partikelanzahl plötzlichwieder an. Vielleicht handelt essich um Zelltrümmer. Auch dieAusschüttung von Zellinhalts-stoffen (so genannten Plättchen-faktoren), die typisch für den Zu-stand aktivierter Zellen sind,nimmt – sogar bei diesen kurzenKontaktzeiten – stark zu.

Klar ist bis jetzt, dass derThrombozytenaktivierung und -zerstörung eine weitaus größereBedeutung hinsichtlich strö-mungs- und materialinduzierterBlutschädigung zugesprochenwerden muss als der die Erythro-zyten zerstörende Hämolyse. DieThrombozytenreaktionen kön-nen im nächsten Schritt bis zurThrombenbildung (Gerinnung)und damit zum Funktionsausfallder Blutpumpen führen. Sie wer-den daher am IBMT – auch imHinblick auf Schädigungsvorher-sagen – im Detail weiter unter-sucht.

Autoren:

Dr.-Ing. Birgit Glasmacher, MSc.(Biomedical Engineering) ist Lei-terin der Abteilung Kryobiologieund Biomaterialien am Lehrstuhlfür Biomedizinische Technik imInstitut für BiomedizinischeTechnologien. Prof. Dr. rer.nat. Khosrow Mot-taghy ist Professor für Ange-wandte Physiologie im Lehrstuhlfür Physiologie. Die Autoren danken Dipl.-Ing.Sebastian Klaus (Wissenschaftli-cher Mitarbeiter in der AbteilungKryobiologie & Biomaterialien)für die Durchsicht des Manu-skriptes.

worden war. Erst ab Schergraden> 80.000 s-1 wird es kritisch. Diesist ein hilfreiches Ergebnis für dieweiteren Entwicklungs- undKonstruktionsaufgaben amIBMT, denn dadurch sind die De-signfreiräume größer. Das giltauch für die bei den miniaturi-sierten Pumpen verwendetenHochleistungspolymere: Keinerder Werkstoff-Kandidaten, die inScreening-Untersuchungen (pa-rallel auch in statischen Versu-chen ohne Strömungsbelastung)getestet wurden, fiel durch ex-treme hämolytische oder throm-bogene Blutschädigung heraus.

Bei der Herstellung von Farben und Lacken, Textilien, Arzneimitteln, Kunststoffen, Waschmitteln undKlebstoffen sind unsere Basischemikalien wichtige Ausgangsprodukte. Unsere rund 5.300 Mitarbeiter

arbeiten weltweit daran, mit führenden Technologien Qualitätsprodukte herzustellen und unserenKunden einen exzellenten Service zu bieten.

Unser Unternehmenssitz ist Dallas in Texas. Unsere Regionalbüros in Frankfurt, Dallas undSingapur betreuen unsere Kunden weltweit.

In unseren 16 Produktionsstandorten stellen wir mehr als 200 Basischemikalien her.An unserem Forschungsstandort in Oberhausen entwickeln wir neue, zum Teil

maßgeschneiderte Produkte für unsere Kunden und arbeiten an modernen,richtungsweisenden Technologien.

Mit einem Umsatz von rund 3 Mrd. Euro sind wir einer der führendenHersteller von organischen Basischemikalien und größtes operatives

Geschäft der Celanese AG.

Und wir bieten mehr als Chemikalien:Für junge, dynamische Chemiker, Kaufleute und Techniker eröffnen

wir internationale Karrierechancen – nicht nur bei uns, sondern auchin den anderen Arbeitsgebieten der Celanese AG.

Celanese Chemicals Europe GmbH

Frankfurter Straße 111 . 61476 Kronberg im Taunus

Tel. +49 (0)69/3 05-160 00 . Fax +49 (0)69/305-160 06www.celanesechemicals.com

Celanese Chemicals

Am Anfang stehen unsere Basischemikalien

28

ewegung ist Leben – Lebenist Bewegung. Die Mög-lichkeit sich selbständig zu

bewegen ist Grundlage derHandlungsfähigkeit des Men-schen. Bewegungsstörungen undfunktionelle Bewegungsein-schränkungen erzeugen Schmer-zen, behindern und erschwerenhäufig die Ausführung selbst all-täglicher Tätigkeiten. Bewe-gungsunsicherheit wirkt auf dasSelbstvertrauen, Bewegungsbe-hinderungen schränken die Mo-bilität ein. Deshalb ist es drin-gend geboten, durch gezielteMaßnahmen die Bewegungsfä-higkeit zu erhalten. In der Abtei-lung Biophysikalische Messtech-nik des Institutes für Biomedizini-sche Technologien werden in en-ger Kooperation mit der Ortho-pädischen Klinik der RWTH Aachen seit einigen Jahren neueVerfahren zur Diagnostik, Thera-pieplanung und Therapieevaluie-rung bei Patienten mit verschie-denen funktionellen Bewegungs-störungen entwickelt und kli-nisch validiert. Ziel ist es, denArzt durch Verwendung objekti-ver Analyseverfahren in seinerEntscheidungsfindung zur Thera-pie bewegungsgestörter Patien-ten zu unterstützen und auf die-se Weise die Therapie zu opti-mieren und besser an den Pati-enten anzupassen.

An der Ausführung einer ge-zielten Bewegung sind in der Re-gel eine Vielzahl verschiedenerKomponenten beteiligt. Soll wil-lentlich eine Bewegung durchge-führt werden, wird ein Komman-do vom zentralen Nervensysteman einzelne Muskeln oder Mus-kelgruppen weitergegeben, diedurch Aufbringung gezielterKräfte an einem Gelenk die ge-wünschte Bewegung herbeifüh-ren. Mit zusätzlichen sensiblenAnteilen, wie beispielsweise demGelenkstellungssinn (Propriozep-tion, Erfühlen der Gelenkbewe-gung und Position), oder aberauch mittels visueller Kontrolledurch das Auge, wird die Durch-führung der Bewegung kontrol-liert. Verfahren, die eine durch-geführte Bewegung analysierenund Einschränkungen aufzeigen,müssen daher Informationenüber die Funktionalität der Mus-kulatur, über die Mechanik (hierinsbesondere die Kinematik undKinetik) der durchgeführten Be-wegung und über die Kontroll-strategien beinhalten. Das in Aa-chen entwickelte Verfahren zur

Analyse der Bewegungsfähigkeiterlaubt die gleichzeitige Erfas-sung von muskulärer Koordinati-on, Bewegung und Kontrollstra-tegien und liefert somit zusätzli-che für die Therapieentschei-dung wichtige Informationen.

Die Funktionalität der Mus-kulatur wird mittels der so ge-nannten Oberflächen-Elektro-myographie (EMG) erfasst. Hier-bei werden, ähnlich wie beimElektrokardiogramm (EKG), elek-trische Potenzialverteilungen, diebei der Erregung der Muskulaturauf der Hautoberfläche entste-hen, durch Sensoren erfasst. Dadie erfassten Signale sehr kleinund der Hautwiderstand sehrgroß sind, müssen speziell entwi-ckelte Verstärker sowie eine an-gepasste Signalverarbeitung ein-gesetzt werden, um eine ausrei-chende Signalqualität zu ge-währleisten. Werden die Poten-ziale von mehreren Muskelngleichzeitig abgeleitet, ist eineAussage über das muskuläre Ko-ordinationsschema möglich, dasdie Bewegung herbeigeführt hat.Bild 1 zeigt eine Anordnungmehrerer EMG-Ableitungen, wiesie zur Beurteilung der muskulä-ren Koordination während desGanges verwendet wird. In die-sem Beispiel wird das muskuläreKoordinationsmuster des Unter-schenkels eines gesunden Pro-banden dem eines Patienten miteinem spastischen Gangbild ge-genübergestellt. Während sichbei der Bewegung des gesundenProbanden Agonist (Musculus ti-bialis anterior) und die Antago-nisten (Musculus soleus undMusculus gastrocnemius) klarabwechseln und somit eine ef-fektive Bewegung herbeiführen,ist bei dem Patienten der Bewe-gungsablauf durch eine Spastikdes Gastrocnemius-Muskels ge-stört.

Die aus der Muskelaktivie-rung resultierenden Bewegungs-abläufe werden mittels optischerVerfahren dreidimensional er-fasst. Hierfür werden Infrarot-licht reflektierende Kugeln, sogenannte Marker, verwendet,deren Bewegungen im Raumvon sieben Kameras gleichzeitigerfasst werden. Aus den einzel-nen Kamerabildern lässt sich diedreidimensionale Bewegungs-bahn jedes Markers im Raumdurch Verrechnung der Koordi-naten rekonstruieren. Bild 2 zeigteine typische Anordnung derMarker, wie sie zur Analyse der

normalen Gangbild Agonist(Tibialis Anterior, blau) und die

Gastrocneius, rot) abwechseln,ist dieses Koordinationsmuster

Catherine Disselhorst-Klug, Oliver Miltner, Fritz Uwe Niethard, Günter Rau

Wenn Bewegung schmerztMedizintechnik zur Verbesserung der Therapiebei Patienten mit Bewegungsstörungen

B

Bild 1: Zur Beurteilung der mus-

bipolare Elektroden (blau) und

kulä ren Koordination wird die

ner Muskeln auf der Hautober-

spezielle Vorverstä rker (braun)

flä che erfasst. Hierfü r werden

elektrische Aktivitä t verschiede-

verwendet. Wä hrend sich beim

Antagonisten (Soleus, grü n, und

bei Patienten mit Spastik gestö rt.

29

Bewegung der Oberen Extremi-täten verwendet wird. Um vonden Markerbahnen auf die Be-wegungen um die einzelnen Ge-lenke schließen zu können, wirdein biomechanisches Modell be-nötigt. Das biomechanische Mo-dell, das der Bewegungsanalyseder oberen Extremitäten zuGrunde liegt, geht von vier star-ren Segmenten – Hand, Unter-arm, Oberarm und Brustkorb –aus. Diese Segmente werdendurch ideale Gelenke verbunden,dem Handgelenk, dem Ellbogen-gelenk und dem Schultergelenk.Die Bewegung jedes Segmentes

Bild 2: Die aus der Muskelakti-vierung resultierenden Bewe-

schen Verfahren erfasst. Dabeiwerden die BewegungsbahnenInfrarotlicht reflektierenderMarker dreidimensional berech-net. Dargestellt ist eine Anord-nung zur Erfassung der Bewe-gung sowie das zugrunde liegen-de Biomechanische Modell.

im Raum ist durch die Bewe-gungsbahn von jeweils drei Mar-kern vollständig beschrieben.Aus der Relativbewegung dereinzelnen Segmente zueinanderlassen sich die Drehbewegungenum die Gelenkachsen beschrei-ben. Dadurch wird eine objektiveBewertung des Bewegungsver-mögens des Patienten ermög-licht.

Zur Erfassung der Kontroll-mechanismen sind zusätzlicheMessgrößen erforderlich. Bild 3zeigt eine übliche Anordnung,wie sie zur Erfassung der propri-ozeptiven Fähigkeiten, also des

Gelenkstellungssinns zum Erfüh-len der Gelenkbewegung undPosition, des Schultergelenksverwendet wird. Die propriozep-tiven Fähigkeiten sind häufignach Unfällen oder größerenoperativen Eingriffen gestört.Dem Patienten fehlt die Informa-tion darüber, wo sich die betrof-fene Extremität im Raum befin-det. Dieses Defizit muss bei-

Bild 3: Messaufbau zur Analyseder Bewegung der oberen Extre-

Patienten. Foto: Peter Winandy

mitä ten. Positionierung des

gungsablä ufe werden mit opti-

30

spielsweise bei Greifbewegungendurch eine visuelle Kontrollekompensiert werden. Zur Unter-suchung der propriozeptiven Fä-higkeiten wird daher neben derBewegungsstrategie auch derBlickpunkt des Patienten mit Hil-fe eines Eye-Tackers erfasst.Dem Patienten wird eine so ge-nannte Folgeaufgabe gegeben,bei der er einer Bewegungsbahnim Raum mit dem Finger folgenmuss. Die Vorgabe der Bewe-gungsbahn erfolgt hier durch ei-nen Roboter, der ein so genann-tes Target führt (3D-Tracking).Bei Patienten mit vermindertenpropriozeptiven Fähigkeiten istzu erwarten, dass sie nicht nurdem Ziel schlechter folgen kön-nen, sondern auch die Positiondes Arms häufiger visuell kon-trollieren müssen.

Die neuen Untersuchungs-methoden liefern objektive Da-ten über die Bewegungsfähigkei-ten des Patienten. Diese Datenkönnen neben der Unterstüt-zung der Therapieentscheidungauch zu einer Verlaufskontrolleherangezogen werden. Die Ver-fahren sind absolut schmerzfreiund finden daher nicht nur beiErwachsenen, sondern auch beiKindern Anwendung.

Autoren:

Dr. rer.nat. Catherine Dissel-horst-Klug ist Leiterin der Abtei-lung Biophysikalische Messtech-nik des Institutes für Biomedizini-sche Technologien (IBMT). Dr. med. Oliver Miltner ist Fach-arzt für Orthopädie und Diplom-Sportlehrer an der Orthopädi-schen Klinik.Univ.-Prof. Dr. med. Fritz UweNiethard ist Inhaber des Lehr-stuhls und Direktor der Klinik fürOrthopädie. Univ.-Prof. Dr. rer.nat. GünterRau ist Inhaber des Lehrstuhls fürBiomedizinische Technik und Di-rektor des Institutes für Biomedi-zinische Technologien (IBMT).

Navigation und Robotik zurEntfernung von Knochenzement

thetik.Foto: Peter Winandy

in der Hü ftrevisions-Endopro-

31

eim künstlichen Ersatz desHüftgelenkes werden dieverschlissenen Gelenkantei-

le durch Metall- oder Kunststoff-implantate ersetzt. Dabei wirddie mechanische Belastung desKnochens in Abhängigkeit vonder Implantatgeometrie und demImplantatwerkstoff verändert.Da eine Fehlbelastung des Kno-chens zu einer Auslockerung derImplantate und damit einemVersagen des Kunstgelenkesführen kann, ist es wünschens-wert, das Knochenumbauverhal-ten in einem numerischen Simu-lationstool nach Einbau verschie-dener Hüftendoprothesen vo-rausberechnen zu können. Damitkönnten Fehler in der Prothesen-entwicklung schon vorab amComputer erkannt werden, ohnedass diese erst nach klinischerLangzeitanwendung offensicht-lich werden.

Ausgehend von diesen Über-legungen wurde im Rahmen eines interdisziplinären For-schungsprojektes der Orthopädi-schen Universitätsklinik, des In-stituts für Biomedizinische Tech-nologien und des Instituts fürAllgemeine Mechanik ein neues,erstmals auf orthotropen Prinzi-pien beruhendes Finite-Element-Modell (FEM) des proximalenOberschenkelknochens zur nu-merischen Berechnung des Kno-chenumbauverhaltens entwi-ckelt. Dabei wurden sowohl diematerialspezifischen Eigenschaf-ten des schwammartigen (spon-giösen) und zur Rinde gehören-den (kortikalen) Knochens alsauch die eindeutige Richtungs-abhängigkeit dieser Material-kennwerte jedem einzelnen Fini-ten-Element (FE) zugeordnet(Bild 1). Um auch den Knochen-umbau infolge dynamischer Be-lastung im numerischen FE-Si-mulationstool berechnen zu kön-nen, wurde mittels eines mathe-matischen Algorithmus ein sogenannter „mittlerer täglicherStimulus” in das Modell inte-griert, um in Abhängigkeit vonGewichtsbelastung und Anzahlder Lastwechsel einen Knochen-umbau berechnen zu können.Als äußere Randbedingungendes Modells wurden – in Anleh-nung an die ISO 7206-4 – diegelenkresultierende Kraft R unddie in entgegengesetzter Rich-tung wirkende kompensierendeMuskelkraft M als Belastungspa-rameter definiert (Bild 2). Am ge-lenkfernen (distalen) Knochen-

Bild 2: a) FE-modellierte Schaft-prothese integriert in das ortho-

Randbedingungen zur FE-Simu-lation. b): Virtuelle Schnittebene

durch die in den Oberschenkel-knochen eingebrachte Prothesezur Darstellung der von-Mises-Vergleichsspannungen im peri-prothetischen Knochenlager.

Fritz Uwe Niethard, Thomas Pandorf, Klaus Radermacher, Dieter Weichert, Dieter Christian Wirtz

Numerische Berechnung des Knochenumbau-verhaltens in der Hüftendoprothetik

Reaktionen der Knochen werden im Computer simuliert

B

Bild 1: Orthotropes FE-Modelldes proximalen Femurs, beste-hend aus 18.079 Tetraeder-

Elementen und 26.883 Knotenmit vorzugsrichtungsdetermi-nierten Materialkennwerten.

trope FE-Knochenmodell; äuß ere

32

anteil wurde eine feste Einspan-nung angenommen.

In Bild 3 ist eine Belastungs-simulation einer zementfrei inden Knochen eingebrachten Titanprothese nach einer Gehzeitvon durchschnittlich einem Jahr(eine Million Lastwechsel) darge-stellt. Es zeigt sich nach virtuel-lem Aufschneiden des Knochensmit Blick auf die ventrale (vorde-re) und dorsale (hintere) Kno-chenseite nach Entfernen derProthese eine vermehrte Span-nungskonzentration von proxi-mal (gelenknaher Knochenanteil)nach distal. Diese Verteilung derso genannten von-Mises-Ver-gleichsspannungen im Knochenspiegelt die bisherigen Erkennt-nisse mit zementfrei eingebrach-ten Prothesen wider, die auf-grund ihrer Oberflächenbeschaf-fenheit und Prothesengeometrieeinen kompletten Einbau des Im-plantates in den Knochen bedin-gen. Die auf die Prothese einwir-kenden Kräfte werden über denmetallischen Schaft vornehmlichnach distal weitergeleitet undführen hier zu einem vermehrtenKnochenumbau. Im proximalenBereich hingegen wird der Kno-chen dadurch deutlich wenigerbelastet, so dass hier ein Kno-chenabbau erfolgt. Dieses Phä-nomen, was klinisch als so ge-nanntes „Stress shielding” be-kannt ist und erst nach jahre-oder jahrzehntelanger klinischerVerlaufskontrolle zementfreierProthesen offensichtlich wurde,kann mit dem numerischen Si-mulationstool eindeutig voraus-gesagt werden.

Mit dem vorgestellten FE-Modell des proximalen Ober-schenkelknochens steht somitein Rechenmodell zur Verfü-gung, welches die Reaktion desKnochens auf die eingebrachteProthese in Abhängigkeit vonder Prothesengeometrie, desProthesenwerkstoffes und derVerankerungsphilosophie vo-rausberechnen kann. Damit ist eskünftig Implantatherstellernmöglich, durch Nutzung einessolchen Simulationstools, die fürdie Patienten beste Implantat-konzeption unter mechanischenund werkstoffseitigen Gesichts-punkten zu entwickeln. Fehlkon-struktionen sind so vorbehaltlich

weiterer Validierungen des Mo-dells weitgehend zu vermeiden,so dass frühzeitige implantatbe-dingte Lockerungen und die da-mit für den Patienten äußerst be-lastenden Wechseleingriffe möglichst vermieden werdenkönnen.

Autoren:

Univ.-Prof. Dr. med. Fritz UweNiethard ist Inhaber des Lehr-stuhls für Orthopädie und Direk-tor der Orthopädischen Klinik.Dr.-Ing. Thomas Pandorf istOberingenieur am Institut fürAllgemeine Mechanik.Dr.-Ing. Klaus Radermacher istLeiter der Abteilung ChirurgischeTherapietechnik des Instituts fürBiomedizinische Technologien(IBMT).Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dieter Wei-chert ist Inhaber des Lehrstuhlsfür Allgemeine Mechanik undLeiter des Instituts für Allgemei-ne Mechanik.PD Dr. med. Dieter ChristianWirtz ist Oberarzt in der Ortho-pädischen Klinik.

Bild 3: Von-Mises-Vergleichs-spannungen im Femurknochennach dynamischer Belastungeiner implantierten Titanpro-these mit einer Gehbelastungvon 1 Jahr (durchschnittlich 106Lastzyklen), Blick auf das ven-trale und auf das dorsale peri-prothetische Knochenlager nachvirtueller Prothesenentfernung.Entsprechend der Spannungs-skala sind niedrige von-Mises-Vergleichsspannungen blau,hohe von-Mises-Vergleichs-spannungen rot dargestellt.

33

Mehr Informationen unter:

www.ericsson.de

So individuell wie die Menschen bei Ericsson sind, gehen sie auch ihrer Arbeit nach. Mit Engagement,Kompetenz und Leidenschaft haben sie Ericsson zum Weltmarktführer für Mobile Netzwerk-Infrastrukturgemacht. Nicht zuletzt sind es aber auch Menschen, die mit einer großen Portion Spaß bei der Sache sind.Und Sie?

Raffaela, Rita und Tatiana,Software Designer, steigen aufJava um, wenn’s mal später wird.

34

ie in vielen Bereichendes täglichen Lebenshat die Computertech-

nologie auch in der Chirurgielängst Einzug gehalten. Medizi-nische Bilddaten können mit Hil-fe des Computers zu 3D-Pla-nungsmodellen zusammenge-führt und verarbeitet werden.Der Chirurg kann anhand dieserpatientenspezifischen virtuellenModelle die Platzierung von Son-den oder Implantaten millimeter-genau planen, die Konsequenzeneines geplanten Eingriffes simu-lieren und bewerten. OperativeStrategien oder auch Implantateund Vorrichtungen können sooptimal für den Patienten abge-stimmt werden. Navigationssys-teme für die Chirurgie arbeitenvergleichbar den Systemen fürden Straßenverkehr. Anstelle derOrtung des Fahrzeuges mittelsSatelliten, erfassen hier im Ope-rationssaal installierte Infrarot-Kamerasysteme die räumlicheLage der vom Chirurgen geführ-ten Instrumente. Die Lage derInstrumente kann dann als Ori-entierungshilfe für den Chirur-gen vom Computer in den medi-zinischen Bildern oder Planungs-daten („Landkarten”) dargestelltwerden. Auch Roboter wurdenbereits vielfältig in der Chirurgieeingesetzt und können insbeson-dere dann Vorteile haben, wennräumlich komplexe Fräsoperatio-nen planungsgenau und zeiteffi-zient ausgeführt werden müssen.

Die Abteilung ChirurgischeTherapietechnik des Instituts fürBiomedizinische Technologiender RWTH Aachen (IBMT) imHelmholtz-Institut Aachen be-fasst sich seit mehr als zehn Jah-ren mit dem Bereich der compu-ter- und roboterunterstütztenbildgeführten Chirurgie. Im Rahmen des Schwerpunktpro-gramms 1124 „Medizinische Na-vigation und Robotik” der Deut-schen Forschungsgemeinschaft(DFG) werden am IBMT seit An-fang 2002 zwei von bundesweitneun von der DFG gefördertenProjekten gemeinsam mit klini-schen Kooperationspartnern aus Aachen und Bochum bearbeitet.Das Gesamtfördervolumen fürbeide Projekte beträgt cirka650.000 Euro für zunächst zweiJahre.

In Kooperation mit der Or-thopädischen Klinik (PD Dr. med.D. Wirtz, Univ.-Prof. Dr. med. F.U. Niethard) wird ein neuartigesVerfahren für die navigierte und

optional roboterunterstützte Re-visions-Hüftgelenksendoprothe-tik entwickelt. Bei der Revisioneiner gelockerten Hüftendopro-these ist besonders die Entfer-nung festsitzenden Knochenze-ments zeitaufwändig und führthäufig zu unbeabsichtigten Per-forationen und Frakturen desOberschenkelschaftes. Der Ze-ment ist teilweise schwer zu-gänglich. Aufgrund der schlech-ten Sicht benötigt der Chirurgzur Orientierung während derOperation eine große Anzahlvon Röntgenkontrollaufnahmen.Durch die Navigation auf der Ba-sis weniger intraoperativ aufge-nommener Röntgenbilder kanndie Orientierung bei reduzierterStrahlenbelastung verbessertwerden. Eine robotische Entfer-nung des Knochenzements er-möglicht darüber hinaus potenzi-ell ein zeit- und genauigkeitsop-timiertes Entfernen des Kno-chenzements. Hierbei ist die Not-wendigkeit des Einsatzes dieserHilfsmittel jedoch präoperativkaum vorhersagbar. Erst wäh-rend des Eingriffs kann der Ope-rateur feststellen, ob das Prob-lem festsitzenden Knochenze-ments überhaupt besteht. Dahermüssen Navigation und Robotikin einem modularen Systemkon-zept integriert und intraoperativflexibel bei Bedarf anwendbarsein. Durch verbesserte Werk-zeuge und Orientierungshilfensollen Eingriffe schonender aus-geführt werden können.

Neben der Entwicklung einesNavigationssystems für die Re-Implantation von Hüftpfanneund -schaft liegt der Schwer-punkt der Arbeit am IBMT daherin der navigierten sowie roboti-schen Entfernung des Knochen-zements. In ersten Laboruntersu-chungen konnte gezeigt werden,dass bereits mit Hilfe von drei bisvier kalibrierten Röntgenbilderndie dreidimensionale Form desKnochenzements mit Submilli-metergenauigkeit rekonstruiertwerden kann. Auf Basis dieserDaten können dann die 5D-Fräs-bahnen für ein robotisches Fräs-system automatisch generiertwerden. Erste Versuche wurdenbereits mit dem ebenfalls amIBMT entwickelten CRIGOS-Pa-rallelroboter erfolgreich durchge-führt. Die Entwicklung einesneuartigen speziell auf die An-wendung angepassten Minia-turrobotersystems ist Gegen-stand laufender Projektarbeiten.

In dem zweiten Projekt imRahmen des DFG-Schwerpunkt-programms „Medizinische Navi-gation und Robotik” wird ge-meinsam mit einem Team derUniversität Bochum an der Ent-wicklung eines navigations- undroboterunterstützten Systems fürdie Neurochirurgie gearbeitet.Das Aachener Team des IBMTwird hierbei auch durch HerrnPD Dr. med. Veit Rohde (Neuro-chirurgische Klink der RWTH) alsKooperationspartner unterstützt.Ziel des Projektes ist die compu-tergestützte Planung und Aus-führung von präzisen Fräsopera-tionen am Schädelknochen so-wie die hiermit abgestimmte An-fertigung von speziell für den Pa-tienten angepassten Knochener-satzimplantaten (Bild 1).

Bei der Entfernung tumorin-filtrierter Areale der Schädelde-cke muss der Knochen bislangmittels einer mikrochirurgischenFräse in einem mühsamen Pro-zess mit äußerster Vorsicht abge-tragen werden, da es zu Verkle-bungen zwischen Schädelkno-chen und der die Hirnsubstanzunmittelbar umschließendenHirnhaut kommen kann. Die Pla-nung erfolgt auf Basis von com-putertomographischen Bildda-ten. Durch die roboterunter-stützte Entfernung des tumorbe-fallenen Schädelknochens soll ei-ne effektivere Fräsbearbeitungunter Vermeidung von unbeab-sichtigten Perforationen oderGewebsschädigungen erreichtwerden.

Neben der Optimierung derTumorentfernung soll auch dieVerbesserung des kosmetischenErgebnisses sowie die Vermei-dung eines Zweiteingriffs durchdie Realisierung eines vorgefer-tigten Implantats erreicht wer-den. Die rechnergestützte Pla-nung hat gegenüber der Ver-wendung patientenspezifischerKunststoffmodelle des Schädel-knochens zur Modellierung vonkranioplastischen Implantatenverschiedene Vorteile. Die Ziello-kalisierung und Planung von Zu-gangswegen an computertomo-graphischen Bilddatensätzen(auch in Kombination mit MR-Bilddaten) kann direkt mit derPlanung des notwendigen Im-plantats in einer Planungssitzungkombiniert werden. Auf Basis dercomputergestützten Festlegungder Resektionsgrenzen kann dieKonstruktion und Fertigung eines passgenauen CAD/CAM-

Implantats erfolgen. Es bietetsich auch die Möglichkeit des fle-xiblen Zugriffs auf Datenbankenmit Beispielimplantaten und Ver-gleichsfällen, die bei Eingriffspla-nung und Implantatmodellierunghilfreich sein können. Die Pla-nungsdaten können wiederumunmittelbar mit der navigiertenImplantation gekoppelt werden.Weitere Anwendungen des ro-

Klaus Radermacher, Günter Rau

Navigation und Robotik unterstützen die minimal-invasive ChirurgieAktivitäten der RWTH im DFG-Schwerpunktprogramm

W

35

botischen Systems in der Schä-delbasis-Chirurgie werden der-zeit geprüft.

Gemeinsames Ziel beiderProjekte ist es zum einen, die ge-nannten operativen Eingriffe imBereich der Orthopädischen Chi-rurgie und der Neurochirurgiebesser planbar und durch mini-mal-invasives intraoperativesVorgehen mit Hilfe von compu-

terunterstützter Navigation undRobotik präziser umsetzbar zumachen. Zum anderen sollen dieKosten bestehender Lösungenreduziert und eine höhere Flexi-bilität in der Auswahl der für dieVersorgung des Patienten opti-malen Werkzeuge geschaffenwerden.

Autoren:

Dr.-Ing. Klaus Radermacher istLeiter der Abteilung ChirurgischeTherapietechnik im Institut fürBiomedizinische Technologien. Univ.-Prof. Dr. rer.nat. GünterRau ist Inhaber des Lehrstuhls fürAngewandte Medizintechnikund Direktor des Instituts fürBiomedizinische Technologien.

Bild 1: Navigierte und roboter-

Einsatz bei neurochirurgischenOperationen mit gleichzeitiger

Planung und Versorgung mittelsIndividual-Implantat. Foto: Peter Winandy

gestü tzte Craniektomie zum

36

erlust oder hochgradigeEinschränkung des Hörver-mögens sowie die von Ge-

burt an bestehende beidseitigeGehörlosigkeit schränken dieKommunikationsfähigkeit einesMenschen und seine akustischeOrientierung wesentlich ein. Äu-ßere Zeichen der Erkrankungsind die auffällige Sprache, dievisuelle Orientierung des Patien-ten oder auch die ausbleibendeSprachentwicklung taub gebore-ner Kinder. Die Entwicklunghochtechnisierter elektronischerInnenohr-Implantate (CochlearImplant = CI) ermöglicht aktuelldie mikrochirurgische Therapieder vollständigen Taubheit beiKindern und Erwachsenen (Bild1). Die Verbesserung der Stimu-lationselektronik der Implantatesowie das Design kleinerer kom-plex geformter Stimulations-Mikroelektroden gestatten in-zwischen die Elektrostimulationdes Hörnervs mit Impulsmustern,die der natürlichen Erregung desNervs so nahe liegen, dass selbstKleinkinder ohne Funktion desInnenohrs mit Hilfe des frühzeitigimplantierten CIs und gezieltenRehabilitationsstrategien zumSpracherwerb fähig sind.

Das artifiziell im Nerv erreich-te Stimulationsmuster hat durchdie gute Anpassung an die elek-trische Erregung des gesundenHörnervs bei akustischer Reizungder Schnecke zu starker Verkür-zung der Rehabilitationszeitenund zur Verbesserung der Hör-ergebnisse geführt.

Eine Berechnung der optima-len Stimulationsparameter auselektrophysiologisch registrierba-ren Messwerten am erwachse-nen oder kindlichen Patienten istbislang noch nicht möglich. Indiesem Zusammenhang sind ak-tuell ingenieurtechnische Fragender Signal-Störbefreiung, derSignalkodierung, audiologischeFragen der Sprachverständlich-keit und des binauralen Hörenssowie mikrochirurgische Fragender mikroinvasiven Implantat-applikation und des vollimplan-tierbaren Cochlear Implantats zulösen.

Derzeit werden in der Aache-ner Arbeitsgruppe interdisziplinärStrategien zur weiteren Verbes-serung der Stimulationsmusterund zur Rekonstruktion des beid-seitigen Hörens durch elektroni-sche Innenohrprothesen unter-sucht. Hierdurch ist die verbes-serte räumliche Orientierung und

die Verbesserung der Spracher-kennung im Störgeräusch zu er-warten. Als Alternative zu der aneinigen Zentren derzeit versuch-ten beidseitigen mikrochirurgi-schen Implantation unabhängigvoneinander stimulierender CI-Systeme sind mit elektronischerVorverarbeitung akustischer Sig-nale, die über zwei oder mehrMikrofone erfasst und nur einemeinseitig eingesetzten Implantatzugeführt werden, vergleichbareErgebnisse bereits möglich.

Im Folgenden werden daherdie derzeitige Kenntnis der Ner-venbahnfunktion zur Hörwahr-nehmung und zum Sprachver-stehen erläutert sowie aktuelleTechniken und Technologien zurartifiziellen Hörbahnreizung undAnpassung der implantiertenSysteme an die individuellen Be-dürfnisse des auditiv orientiertenKinds und Erwachsenen be-schrieben.

Funktion der Hörbahn von derSchnecke zur Hörrinde im Groß-hirnBeim Gesunden erfolgt die me-chano-elektrische Wandlung derSchallsignale nach deren Wegüber Trommelfell und Gehörknö-

chelchenkette (im Mittelohr)durch die Haarzellen im Corti-Organ des Innenohrs, der Schne-cke. Über 30.000 Nervenfasernjeder Seite, die im Zentrum dergeometrischen Schneckenachsenzum Hörnerv gebündelt sind,werden die elektrisch kodiertenInformationen an Kerngebiete imHirnstamm übermittelt, die ge-meinsam mit weiteren zentral-nervösen „Relaisstationen” dieInformationsverarbeitung desGehörten übernehmen. Hierzuwerden die rechts- und linkssei-tig aufgenommenen Informatio-nen vergleichend ausgewertet.Um nur wenige Millisekundenverzögert werden rückläufig In-formationen vom Zentralnerven-system an die Schnecke übermit-telt, um eine Adaptation desSensors im Sinne einer Funkti-onsoptimierung zu ermöglichen.Die Funktion zahlreicher Hirnrin-denregionen besteht darin, wei-tere Filterfunktionen, Selektie-rung und Archivierung sowie denVergleich mit „Archivmaterialdes Hörhirns” zu gewährleisten.Das Ergebnis ist beim gesundenMenschen Hören, Geräuscher-kennen und gegebenenfallsSprachverständnis.

Techniken der Elektrostimula-tion der HörbahnBei einem Funktionsausfall bei-der Schnecken und ausreichen-der Restfunktion der Hörnerven-bahnen ist die Implantationelektronischer Innenohrprothe-sen in ausgewiesenen Zentreninzwischen Routineverfahren zurBehandlung bei gehörlosen, taubgeborenen Kindern und ertaub-ten Erwachsenen. An der Aache-ner HNO-Universitätsklinik wur-den bisher cirka 250 Kinder undErwachsene versorgt. Bislangwird ein Teil der Prothese mikro-chirurgisch implantiert, ein wei-terer Teil analog zu einer Hörge-räteversorgung vom Patientenhinter dem Ohr oder am Körpergetragen. Die Signal- und Ener-gieübertragung zwischen beidenKomponenten erfolgt induktivdurch die geschlossene Haut.Äußere und implantierte Indukti-onsspulen werden magnetischgehalten und zentriert.

Abhängig von der elektri-schen Feldverteilung an denElektroden und den Übertra-gungseigenschaften des Hör-nervs und der Hörbahn des Pati-enten werden unterschiedlicheKodierungsstrategien für dieelektrische Reizung eingesetzt.Dabei wird eine möglichst hohePulsrate zur Reizung angestrebt,um die Reizung dem akustischenSignal unmittelbar nachzuführen.Da über 8 bis 22 Kanäle inner-

Wolfgang H. Döring, Peter Vary, Martin Westhofen

Elektronische Prothesenfür das InnenohrSymbiose aus Implantologie und Signalverarbeitung

V

Bild 1: Cochlea-Implantat-System.

37

halb der Schnecke mit Impulsra-ten bis zu 18.000 Pulsen/s sti-muliert wird, sind Stimulations-verfahren mit konsekutiver Rei-zung der einzelnen Kanäle in derÜbertragungsgüte meist unterle-gen, die simultan reizenden Stra-tegien wegen der Kanalinterak-tionen angesichts der kleinenAbstände der Elektroden limi-tiert. Die Simulation des bilatera-len Hörens mit prothetischem Er-satz der Verknüpfung der Hör-information und der neuralenSensorregulation der Schneckeist bislang noch Gegenstand vonStudien. Die beiderseitige Im-plantation von Innenohrprothe-sen berücksichtigt die On-line-Regelung der bilateralen Hör-empfindung nicht und verbessertdaher nach bislang vorliegendenDaten an Patienten nur geringfü-gig das Sprachverständnis.

Signal-Störbefreiung zur Verbes-serung des Sprachverstehensmit Cochlear ImplantIn der Entwicklung verbesserterdigitaler Signalverarbeitung wer-den Verfahren für digitale kon-ventionelle Hörgeräte und Ver-fahren für Cochlea Implantatezum Teil parallel entwickelt undgenutzt. Techniken und Techno-logien zur Verbesserung desSprachverstehens im Störschalldurch Störbefreiung der Sprach-signale mit Hilfe superdirektiverMehrmikrofonarrays mit an-schließender kohärenzbasierteradaptiver Filterung werden der-zeit für die Applikation bei Coch-lea-Implantat-Patienten erprobtund weiterentwickelt. Hierfürkönnen mehrkanalig arbeitendeSysteme mit Arrays aus mehre-ren Mikrofonen auf einer Seiteund/oder auf beiden Kopfseiteneingesetzt werden. Die mit ei-nem eigenen tragbaren, nochnicht für den Routineeinsatz ge-eigneten Prototypen ermitteltenErgebnisse an erwachsenen CI-Patienten lassen erkennen, dass

die Verbesserung des Sprachver-ständnisses ähnlich groß wie mitbeidseitig eingesetzten CIs aus-fällt (Verbund-DFG-Projekt desInstituts für Nachrichtengeräteund Datenverarbeitung (IND)und der HNO-Klinik).

Ausblick auf weitere Entwick-lungenDer nächste Schritt besteht in derKombination der Mehr-Mikro-fontechnik und der Signalvorver-arbeitung mit der Sprachsignal-verbesserung durch Nutzungschneller Impulsübertragungsra-ten und der schnellen Signal-übertragung analoger Stimulati-onsmuster über die Elektroden inder Schnecke sowie der Entwick-lung von Verarbeitungsstrate-gien bilateral kommunizierenderImplantate zur Optimierung desbeidohrigen Hörens.

Autoren:

Dr.-Ing. Wolfgang H. Döring istLeiter der Audiologie der Klinikfür Hals-Nasen-Ohrenheilkundeund Plastische Kopf- und Hals-chirurgie.Univ.-Prof. Dr.-Ing. Peter Varyist Inhaber des Lehrstuhls undLeiter des Instituts für Nachrich-tengeräte und Datenverarbei-tung (IND).Univ.-Prof. Dr. med. MartinWesthofen ist Direktor der Klinikfür Hals-Nasen-Ohrenheilkundeund Plastische Kopf- und Hals-chirurgie sowie Inhaber des Lehr-stuhls für Hals-Nasen-Ohrenheil-kunde.

38

eit mehreren Jahren wird ander RWTH Aachen sowohlvon ingenieurtechnischer als

auch medizinischer Seite an neu-en Verfahren des künstlichenGasaustauschs zur Überbrü-ckung eines Lungenversagensgeforscht.

Eine der wesentlichsten bio-logischen Funktionen der Lungeist der Gasaustausch. Der Körperwird mit Sauerstoff (O2) ver-sorgt, das im Stoffwechsel ent-stehende Kohlendioxid (CO2)wird ausgeatmet. Kann die Gas-austauschleistung nicht aufrechterhalten werden, droht lebens-bedrohlicher Sauerstoffmangel.Das akute, schwere Lungenver-sagen (acute respiratory distresssyndrome; ARDS) tritt meist alsFolge verschiedener Grunder-krankungen wie etwa bei Lun-genentzündungen, nach schwe-ren Verletzungen oder als Kom-plikation einer schwersten syste-mischen Entzündungsreaktion(Sepsis) auf und geht mit einerSterblichkeit der häufig noch jun-gen Patienten von cirka 50 Pro-zent einher.

Die hohe Sterblichkeit ist vorallem dadurch zu erklären, dassneben der Behandlung der ei-gentlichen Grunderkrankung kei-ne kausale Therapie des Lungen-versagens zur Verfügung steht.Die intensivmedizinische Thera-pie besteht in der maschinellenBeatmung, wodurch einerseitszwar der gestörte Gasaustauschwiederhergestellt werden kann,andererseits jedoch durch hoheBeatmungsdrücke und -voluminazusätzliche Schäden an der Ultra-struktur des Lungengerüsts so-wie Entzündungsreaktionen desGesamtorganismus hervorgeru-fen werden können.

Zur Verhinderung dieses ofttödlich verlaufenden Teufelskrei-ses spielen heute Strategien zurMinimierung der beatmungsas-soziierten Lungen- und System-schädigung eine große Rolle. Umauch bei schwersten Formen desARDS eine ausreichende Sauer-stoffversorgung ohne aggressiveBeatmung zu gewährleisten,kann die Gasaustauschfunktionder Lunge für eine begrenzteZeit durch einen extrakorporalenLungenersatz erfolgen. Hierbeiwird venöses Blut über großlumi-ge Kanülen aus den Femoralve-nen dem Körper entnommenund in künstliche Membranengeleitet, über die der Gasaus-tausch für O2 und CO2 stattfin-

det. Das O2-reiche Blut wird demKörper über die obere Hohlvenezurückgegeben, so dass ein aus-reichender Gasaustausch auchunabhängig von der Lungen-funktion aufrechterhalten wer-den kann.

Diese extrakorporale Mem-branoxygenierung (ECMO) äh-nelt in ihrem technischen Aufbaustark der Herz-Lungen-Maschi-ne, wie sie bei Operationen amHerzen benutzt wird. Allerdingssind die Einsatzzeiten der ECMObeim Lungenversagen deutlichlänger, da sich die Lungenfunkti-on in aller Regel erst nach Tagenbis Wochen erholt. Die langenLaufzeiten der extrakorporalenZirkulation stellen besondere An-forderungen an die Technik, daes beim Kontakt zwischen Blutund Fremdoberflächen zur Akti-vierung des Gerinnungssystemskommt, was eine medikamentö-se Gerinnungshemmung not-wendig macht. Am Anfang derECMO-Therapie beim Lungen-versagen in den siebziger Jahrenwurde eine vollständige Gerin-nungshemmung durch Heparinwährend der ECMO durchge-führt. Allerdings führte die Ge-rinnungshemmung zu relevantenBlutungskomplikationen, so dassBlutverluste zwischen zwei undvier Litern pro Tag nicht seltenwaren. Einen wesentlichen Fort-schritt brachte hier die Möglich-keit, Heparin kovalent an die In-nenseite aller Teile des extrakor-poralen Systems zu binden undso auf eine systemische Gerin-nungshemmung verzichten zukönnen. Hierdurch konnten dieBlutungskomplikationen wäh-rend der ECMO-Therapie deut-lich reduziert werden.

Trotz dieser technischenFortschritte bleiben die extrakor-poralen Lungenersatzverfahrensowohl personell als auch tech-nisch so aufwändig, dass ihr Ein-satz wenigen Zentren vorbehal-ten bleibt, zu denen in Deutsch-land die Intensivstation der Klinikfür Anästhesiologie am Universi-tätsklinikum Aachen gehört.Hierher werden Patienten mitakutem Lungenversagen ausganz Deutschland überwiesen,bei denen die Gefahr der O2-Un-terversorgung trotz künstlicherBeatmung besteht. Seit die Tech-nologie Ende 1997 in Aachen zurVerfügung steht, wurden mehrals 200 Patienten zur Behand-lung dieses schwersten akutenLungenversagen übernommen.

Bei 15 Prozent dieser Patientenkonnte nur noch mittels extra-korporaler Membranoxygenie-rung eine Sauerstoffversorgungdes Körpers gewährleistet wer-den. Die Patienten mussten zu-meist noch im zuweisendenKrankenhaus von unserem ein-geflogenen Ärzte-Pflegeteam andie künstliche Lunge angeschlos-sen werden und dann erst konn-ten sie zur Weiterbehandlungtransportiert werden. Die Ge-samtüberlebensrate dieser an ei-nem akuten Lungenversagen er-krankten Patienten lag mit 75Prozent deutlich über demDurchschnitt. Sie ist nur in spe-zialisierten Zentren mit limitierterKapazität zu erreichen. Sokommt es immer wieder dazu,dass Patienten wegen fehlenderKapazität nicht behandelt wer-den können.

Um die Technik des extrakor-poralen Lungenersatzes bei mehrPatienten einzusetzen, ist es not-wendig die Anwendung zu ver-einfachen. Hierbei ist der ersteund wichtigste Schritt, die Syste-me zu verkleinern. Die heute imEinsatz befindlichen Systeme ha-ben mit 1200-1600 ml ein extra-korporales Füllvolumen, das 20bis 30 Prozent des gesamtenBlutvolumens entsprechen kann.Im Institut für BiomedizinischeTechnologien (IBMT) wurdenminiaturisierte, rotierende Blut-pumpen entwickelt, die zusam-men mit stark verkleinertenMembranoxygenatoren ein EC-MO-System mit nur 400 ml Füll-volumen ermöglichen. DieseNeuentwicklung wurde inzwi-schen im Tierversuch erfolgreichgetestet. Eine weitere Verkleine-rung und Vereinfachung der Sys-teme könnte durch Integrationder Blutpumpe in das Oxygena-torgehäuse erreicht werden.

Eine Alternative die Systemezu vereinfachen besteht darin,ganz auf die Blutpumpe zu ver-zichten und die arteriovenöseDruckdifferenz als treibendeKraft auszunutzen. Solche Syste-me befinden sich schon im klini-schen Einsatz, werden aber in ih-rer Anwendung beim schwerenLungenversagen dadurch be-grenzt, dass das einströmendearterielle Blut nur dann durch dieMembran oxygeniert werdenkann, wenn es unzureichendoxygeniert ist und eine verblei-bende O2-Bindungskapazität be-steht. Genau dieser Zustandmuss aber beim akuten Lungen-

versagen vermieden werden, dabei arterieller Hypoxämie die O2-Mangelversorgung der Organedroht. Somit werden solche Sys-teme vornehmlich zur Behand-lung des hyperkapnischen Lun-genversagens eingesetzt, dahiermit eine exzellente CO2-Elimination zu gewährleisten ist.

Eine grundsätzlich andereMöglichkeit des Lungenersatz-verfahrens besteht darin, dasHerz als Blutpumpe zu nutzenund Membranoxygenatoren pa-rallel zur natürlichen Lunge zwi-schen das rechte und das linkeHerz zu implantieren. Das Blutwird von der rechten Herzkam-mer durch die Pulmonalarterie inden Oxygenator gepumpt, hiermit O2 gesättigt, und fließt dannüber die Pulmonalvenen in daslinke Herz und damit in den gro-ßen Kreislauf ab. Da die rechteHerzkammer nur einen geringenDruck erzeugen kann, war dieEntwicklung von Oxygenatorenmit extrem geringem Strö-mungswiderstand erforderlich.Das erste implantierbare Systemwurde von einer amerikanischenForschergruppe erfolgreich imTierversuch getestet. Im Gegen-satz zu den ECMO-Systemen istdieses Verfahren allerdings miteiner hohen Invasivität verbun-den, da eine Operation desBrustkorbs zur Anlage erforder-lich ist. Deswegen gelten solcheEntwicklungen eher der Unter-stützung der Lungenfunktion beiPatienten mit chronischen Lun-generkrankungen, die auf eineTransplantation warten, als derAnwendung beim akuten Lun-genversagen.

Sollte es uns gelingen, dieKomplexität der Lungenersatz-verfahren beim akuten Lungen-versagen soweit zu verringern,dass sie ähnlich einfach wie Beat-mungsgeräte auf der Intensivsta-tion einsetzbar sind, könnte derversagenden Lunge die notwen-dige Zeit zur Heilung gegebenwerden, ohne dass weitere direktschädliche Noxen, wie etwa dieBeatmung mit positivem Druck,den Heilungsprozess erschwerenoder gar verhindern. Letztlichwäre zu erwarten, dass mit ei-nem solchen Konzept die Überle-bensrate der häufig sehr jungenPatienten deutlich angehobenwerden kann.

Ralf Kuhlen, Helmut Reul, Rolf Rossaint

Miniaturisierte LungenersatztechnikNeue Entwicklungen und Verfahren erhöhen die Überlebenschancen

S

39

Autoren:

PD Dr. med. Ralf Kuhlen ist Lei-tender Oberarzt an der Klinik fürAnästhesiologie.Prof. Dr.-Ing. Helmut Reul istLeiter der Abteilung Kardiovas-kuläre Biomechanik im Institutfür Biomedizinische Technologi-en (IBMT).Univ.-Prof. Dr.med. Rolf Ross-aint ist Direktor der Klinik undInhaber des Lehrstuhls für Anästhesiologie.

SchmierstoffeDie wundersame Wirkung einesTropfens Öl an der richtigenStelle hat jeder schon einmal er-fahren können: VerklemmteFenster öffnen sich wieder leichtund quietschende Fahrradkettenlaufen plötzlich geräuschlos.Aber nicht nur im Haushalt, son-dern auch in der Industrie ist derSchmierstoff unverzichtbar undein wesentlicher, fester Bestand-teil von Maschinen. Dies führt zueinem weltweiten Schmierstoff-verbrauch von über 35 MillionenTonnen. Dass solch großeSchmierstoffmengen auch ihreSchattenseiten haben und nichtnur nützen, sondern auch Um-welt und Gesundheit belasten,liegt auf der Hand.

An der RWTH werden des-wegen im Rahmen des Sonder-forschungsbereichs 442 „Um-weltverträgliche Tribosysteme”die Grundlagen erforscht, um diedurch Schmierstoffe verursach-ten Probleme zu beseitigen. DieSubstitution bedenklicher, mine-ralölbasierter Schmierstoffe

durch umweltfreundliche nativeSchmierstoffe ist ein zentralerSchwerpunkt der Forschungsar-beiten. Deren Resultat sind neuentwickelte Schmierstoffe aufRapsölbasis, die sowohl techni-schen als auch ökotoxikologi-schen Anforderungen gerechtwerden. Zudem soll erreicht wer-den, dass die durch falscheSchmierung verursachten Schä-den, die sich jährlich auf cirka 35Milliarden Euro belaufen, deut-lich sinken.

TribosystemeGeschmierte Kontakte sind heuteüberall dort anzutreffen, wo be-wegliche Maschinenteile mitein-ander in Kontakt sind und sichrelativ zueinander bewegen. DieMaschinenteile und der Schmier-stoff bilden ein so genanntesReibsystem (Tribosystem). Dabeikönnen nicht nur Fensteraufhän-gungen und Fahrradketten imZusammenspiel mit den Zahnrä-dern als Tribosystem angesehenwerden, sondern auch Getriebe,Kupplungen und Zerspanungs-

Der Weg ist die langfristigangelegte strategischePartnerschaft mit unserenKunden in der Luft- undRaumfahrtindustrie, derAutomobilindustrie, der Bau-industrie und im Maschinen-und Anlagenbau.

Die Mittel sind qualifizierteund motivierte Mitarbeiter,zielgerichtete Forschung undEntwicklung, angewandteWerkstoff-, Schmiede- undStrangpresstechnologie auf höchstem Niveau.

Das Ergebnis ist ein breites Spektrum spezieller Halb-zeuge, einbaufertiger Kom-ponenten, Fertigprodukteund Komplettsysteme ausAluminium-, Magnesium-,Titan-, Nickel- und Kupfer-legierungen.

Die gemeinsame Aufgabe ist bleibend.Güter zu schaffen, die fürMensch und Umwelt vonNutzen sind.

Sprechen Sie mit uns.

OTTO FUCHS KGPostfach 1261 58528 MeinerzhagenTelefon 02354/73-1 Fax 02354/73201info@otto-fuchs.comhttp://www.otto-fuchs.comWir bringen Hochleistungswerkstoffe in Form und Funktion.

Zukunft. Die richtige Entscheidung in der Gegenwart.

Wolfgang Dott, Stefan Hahn, Hubertus Murrenhoff, Martin Schmidt

Entwicklung umweltverträglicherSchmierstoffe und Druckflüssigkeitenfür TribosystemeSonderforschungsbereich 442 optimiert Reibsysteme

40

prozesse einer Werkzeugmaschi-ne.

Der Schmierstoff befindetsich direkt zwischen den in Kon-takt befindlichen Maschinentei-len. Er besteht zu cirka 95 Pro-zent aus einer Grundflüssigkeit,dem Mineralöl, und zu cirka 5Prozent aus Zusätzen. Dieseauch als Additive bezeichnetenStoffe sorgen für spezielle Eigen-schaften des Schmierstoffes wieKorrosionsschutz oder Ver-schleißschutz. Sind der Schmier-stoff und die Maschinenteilenicht richtig aufeinander abge-stimmt, so kann es durch Rei-bung und Verschleiß zu hohenEnergieverlusten und geringerHaltbarkeit des Systems führen.Neben dieser indirekten Umwelt-belastung können durch Leckagein die Umwelt gelangendeSchmierstoffe zu einer direktenUmweltbelastung führen.

Interdisziplinärer Ansatz zur Optimierung von TribosystemenDer Sonderforschungsbereich442 hat sich zum Ziel gesetzt,Tribosysteme auf hohem techni-schen Niveau in einem ganzheit-lichen Ansatz neu zu gestalten.Die wachsenden Anforderungengerade hinsichtlich ökologischerAspekte werden berücksichtigt.Dies bedingt eine verzahnte Ent-wicklung von Schmierstoffen aufder einen Seite sowie Beschich-tungen für die Maschinenteileauf der anderen. Bestimmte bis-her vom Schmierstoff erfüllteFunktionen sollen dabei auf dieBeschichtungen der Maschinen-teile übertragen werden, um denSchmierstoff einfach und um-weltverträglich gestalten zu kön-nen.

Fachübergreifende und sichergänzende Forschungsarbeitenverschiedener Disziplinen sindzum Erreichen der Ziele des Son-derforschungsbereichs erforder-lich. Deshalb erfolgt eine inter-disziplinäre Zusammenarbeit derBereiche Maschinenbau, Werk-stoffwissenschaften, Chemie so-wie Umweltmedizin.

Neue Schmierstoffe und AlterungsbeständigkeitVielversprechende Ergebnissewurden bereits im Bereich derHerstellung neuer Zwischenstof-fe erzielt. Mehrere Schmierstoffeauf der Basis von Rapsöl konntenproduziert werden, die den Be-reich der Kühlschmierstoffe,Hydraulik- und Getriebeöle ab-decken. Somit kann der Flüssig-keitsbedarf für die gesamteWerkzeugmaschine mit umwelt-verträglichen Schmierstoffen ab-gedeckt werden. Diese erfüllendie technischen Anforderungenwie beispielsweise eine langeHaltbarkeit im Betrieb, die als Al-terungsbeständigkeit bezeichnetwird. Umfangreiche Versuchsrei-hen sind dazu notwendig. MitHilfe einfacher Prüfvorrichtun-gen erfolgt eine schnelle Bestim-mung der technischen Eigen-schaften der Schmierstoffe. Zu-dem erfolgen praxisnahe Lang-zeitversuche. Diese werden aufPrüfständen durchgeführt, dierealen Systemen nachgebildetsind.

UmweltverträglichkeitUm die Umweltverträglichkeitder Schmierstoffe zu garantieren,werden diese bezüglich ihres Ab-bauverhaltens sowie ihrer Öko-toxizität und Genotoxizität un-tersucht. Zu diesem Zweck wer-den die Schmierstoffe im ge-brauchten und ungebrauchtenZustand sowie mit und ohne Ad-ditive in biologischen Testverfah-ren eingesetzt. Begleitend dazuwerden ausgewählte physika-lisch-chemische Parameter derSchmierstoffe bestimmt. Ziel isteine differenzierte Beurteilungder Umweltverträglichkeit vonSchmierstoffen in Abhängigkeitder Inhaltsstoffe und der ge-brauchsbedingten Veränderun-gen.

Des weiteren werden imRahmen dieser Untersuchungenherkömmliche Testverfahren op-timiert. Zum Beispiel konnte einVerfahren zur Bestimmung derAbbaubarkeit entwickelt werden,das zwei genormte Tests kombi-niert. Dieses ist zur Beurteilungder Persistenz der Schmierstoffeim wäßrigen Milieu und im Bo-den geeignet. Bei der Untersu-chung der ökotoxikologischenWirkung der Schmierstoffe wer-den verschiedene Testorganis-men wie die Grünalge Desmo-desmus subspicatus, der Wasser-floh Daphnia magna sowie dieBakterien Pseudomonas putidaund Vibrio fischeri eingesetzt.Dabei werden neu entwickelte,miniaturisierte Testverfahren ver-wendet, die auf Mikrotitrations-platten basieren. Diese miniaturi-sierten Testverfahren könnenvollständig automatisiert wer-den, wodurch unter anderem er-hebliche Kostensenkungen fürzukünftige Prüfungen erreichtwerden.

AusblickDie neuen umweltverträglichenSchmierstoffe werden nun mitebenfalls neu entwickelten Be-schichtungssystemen kombiniert.Diese zeichnen sich zum Beispieldurch einen geringen Verschleißbei gleichzeitig niedrigen Reib-werten aus. Ferner übernehmensie Funktionen des Schmierstof-fes wie beispielsweise den Korro-sionsschutz.

Die Optimierung der einzel-nen Reibsysteme im Rahmen vonBauteilversuchen bildet nunebenso den Schwerpunkt der zu-künftigen Arbeiten, wie die Her-stellung der neuen Fluide im gro-ßen Maßstab. Dadurch wirdkonsequent auf eine Werkzeug-maschine mit umweltverträgli-chen Tribosystemen hingearbei-tet.

Autoren:

Univ.-Prof. Dr. rer.nat. Wolf-gang Dott ist Inhaber des Lehr-stuhls und Direktor des Institutsfür Hygiene und Umweltmedi-zin.Dipl.-Chem. Stefan Hahn istWissenschaftlicher Mitarbeiterim Institut für Hygiene und Um-weltmedizin.Univ.-Prof. Dr.-Ing. HubertusMurrenhoff ist Inhaber des Lehr-stuhls und Leiter des Instituts fürFluidtechnische Antriebe undSteuerungen (IFAS).Dipl.-Ing. Martin Schmidt istWissenschaftlicher Mitarbeiterim Institut für FluidtechnischeAntriebe und Steuerungen(IFAS).

41in die ganze Welt!– aus Passau

ZF-Technik

ZF-Werk Passau-Patriching ZF-Werk Passau-Grubweg

Donaustraße 25-71 • D-94034 Passau • GermanyTelefon +49 (0)851 494-0 • Fax +49 (0)851 494-2190www.zf.com/a-passau

Seit über 50 Jahren werden in den Passauer ZF-

Werken High-Tech-Produkte von Spezialisten

entwickelt und gefertigt.

Achsen und Getriebe aus Passau sind in Arbeits-

maschinen, Bussen, Nutzfahrzeugen und Pkw

in über 200 Ländern im Einsatz und leisten einen

wesentlichen Beitrag zur Mobilität.

Menschen weltweit verlassen sich zu Recht auf

ZF-Antriebs- und Achssysteme – Made in Passau.

Gra

swal

d &

Hei

ligt

ag |

Pass

au

Mensch. Technik. Fortschritt.

ANTRIEBS- UND FAHRWERKTECHNIK

ZF PASSAU GMBHArbeitsmaschinen-Antriebstechnik und Achssysteme

Wolfgang Dott, Jiri Silny, Gerhard Andreas Wiesmüller

Elektrosensibilität – eine Herausforderung

42

ine alarmierend ansteigendeAnzahl von Patienten führtdie elektromagnetischen

Felder des Alltags als Ursache fürgesundheitliche Beschwerden an.Die von Sendemasten des Mobil-funks ausgehenden hochfre-quenten Felder werden ebensowie die niederfrequenten Felderder Hochspannungsfreileitungenoder der Elektroinstallationen inGebäuden für Kopfschmerzen,Schlaflosigkeit, Konzentrations-schwäche, Müdigkeit oderAngstzustände verantwortlichgemacht. In populärwissen-schaftlichen Abhandlungen undso genannten Erfahrungsberich-ten wird dieser Zusammenhangals gegeben dargestellt. Dabeisind Ursachen wie Entstehungderartiger unspezifischer Ge-sundheits- und Befindlichkeits-störungen uneinheitlich und eineVerbindung mit elektromagneti-schen Feldern ist nicht einmalansatzweise wissenschaftlich be-legt.

Aufgabe der Umweltmedizinist es, qualifiziert und interdiszi-plinär zu prüfen, inwieweit be-kannte Erkrankungen oder Um-weltnoxen (biologische, chemi-sche oder physikalische Schad-stoffe) im Einzelfall als Ursachefür solche Beschwerden in Fragekommen und ob elektromagneti-sche Felder als krankheitserre-gende Umweltfaktoren über-haupt in Betracht gezogen wer-den müssen.

Vorgehensweise bei den UntersuchungenDie ‘elektrosensiblen’ Patientenwerden schrittweise bis zu dreiunterschiedlichen hintereinandererfolgenden Untersuchungenunterzogen. Im ersten Schrittklärt die UmweltmedizinischeAmbulanz, ob bekannte Krank-heitsbilder oder Umweltnoxenals Ursache für die Beschwerdenin Frage kommen. Bei einem po-sitiven Ergebnis werden die Pati-enten zur weiteren Behandlungan entsprechende Spezialklinikenüberwiesen.

Eine negative Diagnose gibtAnlass, den Patienten einer am-bulanten Langzeituntersuchungzu unterziehen. Hier wird durcheine mehrtägige Überwachungder Körperfunktionen, der ein-wirkenden elektromagnetischenFelder und der subjektiv gemel-deten Beschwerden festgestellt,ob eine Gleichzeitigkeit des Auf-tretens bestimmter Felder und

der Beschwerden festgestelltwerden kann. Der Patient kannin dieser Zeit ein normales Lebenführen.

Im Falle eines positiven Re-sultats ist eine Provokationsstu-die erforderlich, in der die Ur-sächlichkeit zwischen den an-hand der ambulanten Überwa-chung definierten Feldern undden gemeldeten Beschwerdender Patienten überprüft wird.

Umweltmedizinische Ambulanz(UMA)In der UmweltmedizinischenAmbulanz (UMA) wird mit ei-nem standardisierten umweltme-dizinischen Fragebogen, derSichtung und Bewertung vonbeim Patienten zuvor erhobenenBefunden, einem umfassendenPatientengespräch und einerkörperlichen Untersuchung ent-schieden, ob ein begründeter Ex-positionsverdacht vorliegt. Indiesem Fall werden Human-Bio-monitoring (Ermittlung der kör-perlichen Belastung mit Schad-stoffen und ihre Effekte), Orts-begehung und/oder Umweltmo-nitoring (Ermittlung von chemi-schen, biologischen und/oderphysikalischen Expositionsfakto-ren in der Umwelt) durchgeführt.Zusätzlich erfolgt eine differenti-aldiagnostische Abklärung desBeschwerdebildes des Patienten.Kern dieser Differentialdiagnostiksind allergologische und, wennmöglich, auch psychiatrische Di-agnostik. Untersuchungen in an-deren medizinischen Fachgebie-ten werden in Abhängigkeit vomBeschwerdebild durchgeführtund sind somit optional.

Liegt kein begründeter Expo-sitionsverdacht vor, wird nur diezuvor beschriebene Differential-diagnostik ohne Human-Biomo-nitoring, Ortsbegehung und/oder Umweltmonitoring durch-geführt. Die Ergebnisse der Dif-ferentialdiagnostik können in sel-tenen Fällen den Verdacht einergesundheitsrelevanten Expositi-on ergeben, der auf der erstenEntscheidungsebene nicht evi-dent wurde. In diesem Fall wer-den Human-Biomonitoring,Ortsbegehung und/oder Um-weltmonitoring durchgeführt.

Die im diagnostischen Ablauferhobenen Ergebnisse werden ineiner Fallkonferenz diskutiertund in eine Hauptdiagnose, diedas Beschwerdebild des Patien-ten nahezu vollständig erklärt,sowie in Nebendiagnosen, die

E

für die UmweltmedizinUntersuchungen bei elektrosensiblen Patienten

Bild 1: Blick in den wellenabge-schirmten Messraum zur Mes-sung hochfrequenter Felder wiezum Beispiel von Mobiltelefo-

Foto: Peter Winandynen auf die Gehirnaktivitä t.

44

nur einen Teil des Beschwerde-bildes des Patienten erklären, un-terteilt. Darüber hinaus werdenTherapieansätze diskutiert. DasErgebnis der Untersuchungenund die Behandlungsoptionenwerden in einem Abschlussge-spräch mit dem Patienten be-sprochen und dem betreuendenArzt (im Regelfall ist dies derHausarzt) mitgeteilt.

Ambulante ÜberwachungEine am Körper getragene kleineund leichte Erfassungseinrich-tung ermöglicht es, wichtigeKörperfunktionen wie die Herz-frequenz aus dem Elektrokardio-gramm, die Gehirnaktivität ausdem Elektroenzephalogramm,die Stärke und Dauer der Einwir-kung elektromagnetischer Feldersowie den Zeitpunkt des Einset-zens einer Beschwerde übermehrere Tage hinweg kontinu-ierlich aufzuzeichnen. Der Pati-ent kann sich in seiner gewohn-ten Umgebung frei bewegen,seiner Arbeit nachgehen odersich im Schlaf erholen. Die an-schließende Auswertung derAufzeichnungen gibt Auskunftüber die Gleichzeitigkeit ver-schiedener Ereignisse und der Ex-position durch elektromagneti-sche Felder.

ProvokationsstudienWird in ambulanten Untersu-chungen eine zeitliche Überein-stimmung zwischen einer Exposi-tion durch elektromagnetischeFelder und Beschwerden und Re-aktionen der Körperfunktionendes Patienten festgestellt, ist eineProvokationsstudie zur Überprü-fung der Ursächlichkeit erforder-lich. Dabei werden die Patientenin so genannten Doppelblindver-suchen, bei denen weder der Pa-tient noch der untersuchendeWissenschaftler die Zeitpunkteder Feldeinwirkung kennt, mitdefinierten Feldern in einem spe-ziellen Abschirm- und Befel-dungsraum exponiert. Neben derMeldung des Patienten über einetwaiges Auftreten von Be-schwerden werden auch zuge-schnittene Körperfunktionen unddie Zeiträume unter Feldeinwir-kung aufgezeichnet und an-schließend statistisch ausgewer-tet.

AusblickIn interdisziplinären Untersu-chungen werden valide und be-lastbare Daten zur Elektrosensi-bilität gesammelt. Erst auf dieserGrundlage kann entschiedenwerden, ob es sich bei denschwachen elektromagnetischenFeldern des Alltags tatsächlichum gesundheitsrelevante Um-weltfaktoren handelt. Unabhän-gig davon werden die Patientenin jedem Fall ernst genommen,die Ermittlung einer zur Linde-rung ihrer Beschwerden geeigne-ten Therapie steht immer imVordergrund.

Autoren:

Univ.-Prof. Dr. rer.nat. Wolf-gang Dott ist Direktor des Insti-tuts für Hygiene und Umweltme-dizin. Prof. Dr.-Ing. habil. med. Jiri Silny ist Leiter des Forschungs-zentrums für Elektro-Magneti-sche Umweltverträglichkeit (femu). PD Dr. med. Gerhard AndreasWiesmüller ist Leiter der Um-weltmedizinischen Ambulanz(UMA) des Universitätsklini-kums.

Rainer Facius, Rupert Gerzer, Gerda Horneck, Günther Reitz, Manfred Schäfer

Strahlenschutz bei der RaumfahrtMATROSHKA – ein Gerät zur Messung der Tiefendosis im Menschen

ie gesundheitlichen Schä-den, die das Strahlenfeldim Weltraum verursachen

kann, gehören zu den begren-zenden Faktoren für die be-mannte Raumfahrt. Komponen-ten des extrem komplexen Strah-lenfeldes sind die galaktischeStrahlung, solare Strahlung, Teil-chen der Strahlungsgürtel undNeutronen. Charakteristisch istihre hohe Durchdringungsfähig-keit von Materie aufgrund ihrersehr hohen Energien. Das kom-plexe Strahlenfeld erfordert eingroßes Maß an technischemAufwand für einen angemesse-nen Strahlenschutz. Es verändertsich zeitlich und örtlich in Abhän-gigkeit von Form und Stärke desMagnetfeldes der Erde sowie

durch Sonnenaktivität. Außer-dem wird es durch die Materiali-en der Raumschiffwände und derEinrichtungen modifiziert.

Im Strahlenfeld des Welt-raums wird der gesamte Körperdes Menschen bestrahlt. Auf-grund unterschiedlicher Abschir-mung kommt es zu einer unter-schiedlichen Verteilung der Dosisund zur Veränderung des Teil-chen-Spektrums im Körper. DieAufenthaltsdauer bestimmt dasStrahlenrisiko. Dieses reicht vonakuten Schäden bis zu Spätschä-den wie Bildung von Kataraktenim Auge (Grauer Star) und Bil-dung von Tumoren. Ein beson-ders hohes Risiko bei Weltraum-ausflügen ist mit der Teilchen-strahlung bei solaren Ausbrü-chen verbunden.

Zur Abschätzung des Risikosbedarf es einer detaillierten Mes-sung der Strahlungskomponen-ten, der Energieverteilung undEnergieabgabe (LET). Das Maßder Schädigung ist abhängig vonder absorbierten Dosis und derEnergieverteilungsdichte, die ineinem Qualitätsfaktor berück-sichtigt wird. Die Dosis und derQualitätsfaktor bestimmen dieÄquivalenzdosis, die mit den or-ganspezifischen Gewichtsfakto-ren als Summe die effektive Do-sis ergibt. Diese für den Strahlen-schutz zentrale Größe ist direktmit dem Strahlenrisiko korreliert.

Mit theoretischen Modell-rechnungen kann die Strahlen-belastung für Missionen nur un-zureichend abgeschätzt werden.Deshalb müssen Messungen zur

D

45

Prüfung durchgeführt werden.Um die Strahlenbelastung außer-halb der ISS (International SpaceStation) über ein Jahr zu messen,hat die ESA (European SpaceAgency) das Projekt MATROSH-KA vergeben, das unter der Lei-tung des DLR (Deutsches Zent-rum für Luft- und Raumfahrt)zusammen mit der Industrie ge-baut wird. Dabei soll das Gerätmöglichst genau die Verhältnisseim und um den Astronautenkör-per simulieren. MATROSHKA istdarauf ausgelegt, den Anforde-rungen der Detektoren und auchder Raumfahrtfaktoren (Vaku-um, Temperatur) möglichst ge-recht zu werden. Sie besteht ausdrei wesentlichen Teilen, dem ei-gentlichen Phantom, der Basis-Struktur und einem Behälter alsSimulation des Raumanzuges.Die Teile werden wie bei einerrussischen Matroshkafigur inei-nander gefügt (Bild 1).

Das Phantom besteht ausPolyurethan mit einer Dichte von1 g/cm3 als gewebeäquivalen-tem Material, einem echten Kno-chenskelett und Lungenteilenmit einer niederen Dichte. UmDosimeter integrieren zu kön-nen, ist es in Scheiben von 25mm zerschnitten, über einemMittelstab aufgefädelt und ander Basis-Struktur befestigt. DerBehälter über dem Phantomsorgt für eine geeignete Steifig-keit und für ein geschlossenesVolumen mit einer für einigeTeilchendetektoren notwendigenSauerstoffatmosphäre. Einemehrlagige Schicht über dem Be-hälter hält die Temperatur fürPhantom und Elektronik im Be-reich von -40 bis +50°C. WeitereSensoren erlauben die Kontrolleüber Druck und Temperatur.

An den Orten sensitiver Or-gane wie Lunge, Magen, Darm,Niere, Auge sind spezielle aktiveund auch passive Dosimetersys-teme untergebracht, die entwe-der die zeitlich variierende Dosisoder eine integrale Dosis messenkönnen. In jeder Scheibe sind ineinem Raster von 25 mm Dosi-meterkristalle (TLD) unterge-bracht, die die Tiefendosis imPhantom messen. Um die Haut-dosis zu messen, sind in einer Ja-cke ebenfalls TLDs eingenäht.Drei spezielle Dosimeter (DOS-TEL, TEPC, HiLRS) außerhalb desPhantoms können einzelne Teil-chen und ihre Energieabgabe inbestimmten Bereichen messen.Die elektronischen Messdaten

werden während der Missionzum Boden übertragen. An derwissenschaftlichen Durchfüh-rung der Experimente ist auchdie RWTH Aachen beteiligt.

Am Ende der Mission werdendie passiven Dosimeter in der ISSausgebaut und zur Auswertungzum Boden zurückgebracht. EinVerlängerungsrohr des Mittelsta-bes erlaubt es, die Schichten um15 cm anzuheben, Experimentezu entnehmen oder einzubauenwährend funktionsfähige aktiveDosimeter verbleiben.

MATROSHKA wird unter derLeitung des DLR gefertigt. Fürdas Phantom, die Experiment-durchführung, Integration undSicherheit ist das DLR in Köln inVerbindung mit der RWTH zu-ständig, während Basis-Struktur,Container, Stabilitätsprüfungund Thermalkonzept von DTMTechnologies (Modena) bereit-gestellt werden. Für Steuerungs-elektronik, Datenerfassung, -übertragung und Software istKayser Italia (Livorno) zustän-dig.

Autoren:

Dr. phil.nat. Rainer Facius istMitarbeiter der Gruppe Strahlen-biophysik des Deutschen Zen-trums für Luft- und Raumfahrt(DLR).Univ.-Prof. Dr. med. Rupert Ger-zer ist Inhaber des Lehrstuhls fürFlugmedizin und Leiter des Insti-tuts für Luft- und Raumfahrtme-dizin des DLR.Dr. phil.nat. Gerda Horneck istLeiterin der Abteilung Strahlen-biologie des DLR und der AGStrahlengefährdung des Men-schen im Institut für Flugmedizin.Dr. phil.nat. Günther Reitz istLeiter der Gruppe Strahlenbio-physik des DLR.Dr. rer.nat. Manfred Schäfer istMitarbeiter der Gruppe Strahlen-biophysik des DLR.

Bild 1: Schnitt durch dieMATROSHKA.

46

47

Zwischenprodukten wie zumBeispiel rekombinanten Anti-

Foto: Peter Winandy

Sichtprü fung von aufgereinigten

kö rpern.

48

iokompatible Materialienwerden in vielen Bereichender Medizin benötigt und

stehen in direktem Kontakt mitdem Gewebe und Blut des Men-schen. Die Eigenschaften derMaterialoberfläche sind daherfür die Akzeptanz des Materialsvon besonderer Bedeutung. Bio-kompatible Materialien sollensich jedoch nicht nur neutral imKörper verhalten oder rück-standslos abgebaut werden, siesollen auch aktiv mit dem Körperin Wechselwirkung treten.

Das an der RWTH Aacheneingerichtete Kompetenzzent-rum für Biowerkstoffe trägt mitfolgenden Konzepten dazu bei,bioverträgliche Implantate fürden kurzfristigen und temporä-ren Einsatz im menschlichemKörper zu entwickeln.

Entwicklung von neuenWerkstoffen mit steuerbarer Re-sorbierbarkeit

Optimierung der Grenzflä-chenverträglichkeit von Biowerk-stoffen durch maßgeschneiderteOberflächenmodifizierungen

Entwicklung definierter Wirk-stofffreisetzungssysteme

Maßgeschneiderte textileStrukturen für Implantate

Voraussetzung für die Eta-blierung dieser Kernkompeten-zen war die Bildung des interdis-ziplinären Verbunds von neunForschungseinrichtungen der Fa-kultäten für Mathematik, Infor-matik und Naturwissenschaften,für Maschinenwesen, für Berg-bau, Hüttenwesen und Geowis-senschaften und für Medizin.Gefördert wird das Kompetenz-zentrum vom Bundesministeriumfür Bildung, Wissenschaft, For-schung und Technologie (BMBF)aus dem Programm „MaTech“mit Unterstützung des Ministeri-ums für Schule, Wissenschaftund Forschung (MSWF) des Lan-des Nordrhein-Westfalen.

Primär befasst sich das Kom-petenzzentrum mit der Verbes-serung der Grenzflächenverträg-lichkeit. Durch das Konzept deroberflächenspezifischen Anbin-dung von Wirkstoffen wird es er-möglicht, hinsichtlich ihrer me-chanischen Eigenschaften be-währte Implantate mit einer„biologischen Tarnkappe” aus-zurüsten und damit die Akzep-tanz durch den Organismus sicherzustellen.

Bei einem der eingesetztenbioaktiven Beschichtungsverfah-ren handelt es sich im erstenAusrüstungsschritt um die CVD-Polymerisation (Chemical Va-pour Deposition), bei der funk-tionalisierte Monomere sich nachPyrolyse auf den Implantatober-flächen als dünne Polymerbe-schichtung niederschlagen. Andiese funktionalisierten Oberflä-chen lassen sich in einem zwei-ten Schritt biologisch aktive Stof-fe mittels peptidchemischer Im-mobilisierungstechniken fest binden. Das besondere der Be-schichtung ist die universelle An-wendbarkeit sowohl auf Metallals auch auf Kunststoffe und/oder textilen Strukturen.

Selbst dünne Platindrähtelassen sich mit diesem Verfahrenso modifizieren, dass sie das Zell-wachstum gezielt fördern. Diesespeziell gewickelten Platindrähte,so genannte Coils, helfen beimVerschließen von Gefäßausbuch-tungen, so genannten Aneurys-men, die zu gefährlichen Gehirn-blutungen führen können. Hier-bei wird der geknäuelte Platin-draht in die Gefäßaussackungeingeführt, so dass sich ein loka-ler Blutpfropf bildet, der die Aus-sackung verschließt. Allerdingswird die Gefäßwand oft nichtdauerhaft abgedichtet, so dassan der gleichen Stelle erneutAusbuchtungen auftreten. Dieaktive Abdichtung der Gefäß-wand wird durch die Beschich-tung der Platindrähte erzielt, dieSubstanzen mit in der Natur vor-kommenden Molekülsequenzenenthalten, die die Zellen als Sig-nal erkennen. In Kooperation mitdem Medical Center Bonn (Prof.Dr. med. Jürgen Reul) wurde imTierversuch bestätigt, dass mitsolchen Coils ein dauerhafterVerschluß der Gefäßaussackungerzielt wird.

Weiterhin kann die CVD-Be-schichtung zur Wirkstoffausrüs-tung von metallischen Gefäß-stützen, so genannten Stents,eingesetzt werden, die zur Behe-bung des durch Arterioskleroseauftretenden Gefäßverschlussesverwendet werden. Leider löstder „nackte” Stent vielfach einüberschießendes Wachstum derMuskelzellen der Gefäßwandaus, was zu einem erneutem Ge-fäßverschluß (Restenose) führenkann. Zur Vermeidung einer Res-tenose werden nun die Oberflä-chen der Gefäßstützen mit spezi-ellen Wirkstoffen ausgerüstet,die aktiv das Zellwachstum ver-mindern.

Bei der Entwicklung von„Tarnkappen” für Implantat-oberflächen spielen nicht nur dieWirkstoffe eine Rolle, die dasZellwachstum beeinflussen. InZusammenarbeit mit dem Insti-tut für Biochemie werden gen-technisch hergestellte Zytokinewie Interleukin 11 und Interleu-kin 10 an die Implantatoberflä-chen gebunden und ihre entzün-dungshemmende Wirkungswei-se in Zellkulturversuchen unter-sucht. Ziel zukünftiger Arbeitenwird die maßgeschneiderte Aus-rüstung von Oberflächen mitZellwachstumsmediatoren undgleichzeitig entzündungshem-menden Wirkstoffen sein.

Die Beeinflussung der Grenz-flächenverträglichkeit von Im-plantaten wird jedoch nicht alleinvon der molekularen Zusammen-setzung der Oberfläche be-stimmt. Das topographischeMikro- und Oberflächendesignder Implantate spielt ebenfalls ei-ne große Rolle bei der Biokom-patibilität im Gewebe- und Kno-chenzellkontakt. Ein entschei-dender Beitrag zur Entwicklungmaßgeschneiderter Oberflächen-strukturierungen wird von derKompetenz der beteiligten Insti-tute der Ingenieurwissenschaftengeleistet. In diesem Zusammen-hang haben die neuen dreidi-mensionalen textilen Strukturenin den letzten Jahren immer grö-ßere Bedeutung gewonnen. Sowerden für die Forscher im Klini-kum schlauchförmige Stützstruk-turen für die Züchtung von klein-lumigen Gefäßprothesen unterEinsatz von körpereigenen Zellenim Bioreaktor entwickelt. Bei die-ser Züchtung von Gewebe (Tis-

sue Engineering) können die Zel-len entlang der ausgerichtetenFasern der Stützstruktur wachsenund natürliches Gewebe aufbau-en. Ein weiteres Beispiel des Tis-sue Engineering ist die Entwick-lung eines künstlichen Kreuzban-des aus einem neuen elastischen,abbaubaren Kunstoffmaterial.Die Textilstruktur wird an derOberfläche mit wachstumsför-dernden Substanzen ausgerüstet,so dass die darauf angesiedeltenspezifischen Zellen körpereigenesGewebe bilden.

Die bisherigen Arbeiten ha-ben gezeigt, dass die Bündelungder Kernkompetenzen sowie dieEinbindung in das Netzwerk derweiteren Kompetenzzentren imBereich der Medizintechnik undder klinischen Forschung (AKM,IZKF „BIOMAT.”) und das großePotenzial der Forschungseinrich-tungen der RWTH Aachen unddes Universitätsklinikums einebesonders günstige Vorausset-zung für die Entwicklung neuerinnovativer Konzepte im Bereichder Biomaterialforschung ist.

Autoren:

Univ.-Prof. Dr. rer.nat. Dr. h.c.Hartwig Höcker ist Inhaber desLehrstuhls für Textilchemie undMakromolekulare Chemie, Direktor des Deutschen Wollfor-schungsinstituts, Sprecher desKompetenzzentrums für Bio-werkstoffe Aachen (bwA) unddes Forums Life Sciences.PD Dr. rer.nat. Doris Klee leitetdie Arbeitsgruppe „Polymere inder Medizin” des Lehrstuhls fürTextilchemie und Makromoleku-lare Chemie und ist Zentralkoor-dinatorin des Kompetenzzent-rums für Biowerkstoffe Aachen(bwA).

Hartwig Höcker, Doris Klee

Kompetenzzentrum fürBiowerkstoffe Aachen

Implantate mit biologischen Tarnkappen

B

50

as Interdisziplinäre Zent-rum für Klinische For-schung „Biomateralien

und Material-Gewebsinteraktio-nen bei Implantaten“, kurz IZKF„BIOMAT.“ genannt, ist eineEinrichtung der MedizinischenFakultät der RWTH Aachen. Sei-ne Gründung erfolgte im Jahr1995 und ging auf die Initiative„Gesundheit 2000” von Bundes-und Landesregierung zurück.Seinerzeit wurden im bundes-weiten Wettbewerb acht Inter-disziplinäre Zentren für klinischeForschung gegründet. Die Medi-zinische Fakultät der RWTH Aachen war mit einer konzeptio-nell und inhaltlich überzeugen-den Bewerbung zum Thema Bio-materialien und Implantate er-folgreich. Entsprechend fördertdas IZKF „BIOMAT.“ die inter-disziplinäre Zusammenarbeit aufdiesem Gebiet. Wesentliches Zielder Einrichtung ist die Förderungdes wissenschaftlichen Nach-wuchses. Darüber hinaus wirddie Schaffung von Plattform-technologien gefördert, derenEtablierung über die Möglichkei-ten von Einzelprojekten hinaus-gehen. In begrenztem Umfangwerden auch innovative Einzel-projekte gefördert. Das IZKF„BIOMAT.“ praktiziert die trans-parente Vergabe öffentlicherForschungsgelder nach Quali-tätskriterien und ist gegenüberder Fakultät berichtspflichtig. DieZielsetzungen und Leistungendes IZKF „BIOMAT.“ werdenjährlich von einem Beirat auswär-tiger Gutachter überprüft.

Förderung des wissenschaft-lichen NachwuchsesDas zentrumsinterne Graduier-tenkolleg der Nachwuchswissen-schaftler sowie ein Aus- undWeiterbildungsstipendienpro-gramm ermöglichen es jungenKollegen, sich interdisziplinärfortzubilden und für ihre For-schungen relevante Kenntnisseund Methoden zu erlernen. Die-ses erfolgreiche Programm gehtnunmehr in die dritte Runde. Absolventen früherer Program-me haben sich erfolgreich aufdem universitären und industriel-len Arbeitsmarkt behauptet. Dasinterne Graduiertenkolleg um-fasst insgesamt neun Stellen. Anden regelmäßigen Lehrveranstal-tungen zum Thema Biomateriali-en und Implantologie nehmenneben den Kollegiaten regelmä-ßig auch weitere Post-Graduierte

der Medizinischen Fakultät undbenachbarter Fakultäten teil.

Inhaltlich gliedert sich die Arbeit des IZKF „BIOMAT.“ invier Schwerpunkte. Der Schwer-punkt 1, „Biologischer Gewebs-ersatz/Tissue Engineering“ stellt

einen klassischen interdisziplinä-ren Forschungsbereich dar.Durch die Etablierung einer CoreFacility „Stammzellforschung”im letzten Jahr hat der BereichTissue Engineering eine deutlicheStärkung im Hinblick auf eine

verbesserte Zellgewinnung und -modulierung gewonnen. DerForschungsstandort Aachen undinsbesondere die bereits etablier-ten Kooperationen mit den ver-schiedenen technisch orientier-ten Institutionen der RWTH

Willi Jahnen-Dechent

Das Interdisziplinäre Zentrum für Klinische Forschung

D

51

Aachen bieten eine ideale Platt-form für die Entwicklung tissue-engineerter Strukturen innerhalbdes IZKF „BIOMAT.“.

Im Schwerpunkt 2, „Techni-scher Gewebsersatz/Extrakorpo-rale Systeme“, werden Projekte

gefördert, die sich mit Glaskör-perimplantation, Knochenersatz-werkstoffen und mesh-Materiali-en zur Unterstützung chirurgi-scher Eingriffe befassen. DerSchwerpunkt ist dadurch ge-kennzeichnet, dass die Projekte

auf die Lösung konkreter klini-scher Fragen und Problemenausgerichtet und interdisziplinäreingebunden sind im Umfeld vonKlinik, Technik und Grundlagen-forschung.

Im Schwerpunkt 3, „Biologi-

sche Antwort auf Fremdmateri-al“, sind Vorhaben gruppiert, dieauf molekularer Ebene die Me-chanismen der durch Fremdkör-per ausgelösten Entzündungsre-aktion untersuchen, insbesonde-re die Rolle von Makrophagen,Riesenzellen oder Lymphozyte.Vermehrt werden Projekte ge-fördert, die sich mit Wundhei-lungsvorgängen als einem zent-ralen Aspekt der biologischenReaktion auf Implantate befas-sen. Inhaltlich ergeben sich da-durch enge Kooperationen mitdem SFB 542 (Molekulare Me-chanismen zytokin-gesteuerterEntzündungsprozesse: Signal-transduktion und pathophysiolo-gische Konsequenzen).

Im Schwerpunkt 4, Gewebe-protektion/Revaskularisation,wird das therapeutische Potentialpluripotenter hämatopoetischerStammzellen (HSC) als Alternati-ve zur myokardialen Regenerati-on nach Myokardinfarkt undischämischer Herzerkrankung zu-nehmend thematisiert. So wer-den zum Beispiel die optimalenZellpopulationen und Applikati-onsmodalitäten für die Anwen-dung von HSC in der Myokard-regeneration systematisch ermit-telt.

Zusätzlich werden ZentraleProjekte und auch Plattformengefördert. Aufgabe dieser Pro-jekte ist es, methodische Ansätzeder Teilvorhaben des IZKF „BIO-MAT.“ zu vernetzen. Immer wie-der kehrende Probleme von Bio-materialien, wie Cytotoxizität,Gentoxizität und Sterilität, warenin der Vergangenheit Gegen-stand der Untersuchungen. DasZentrum entwickelt zeitgemäßeTestmethoden, die einerseits denAnforderungen des Medizinpro-duktegesetzes Rechnung tragenund andererseits aussagekräfti-ger sind, als die im Medizinpro-duktegesetz vorgeschlagenenTestmethoden.

Autor:

Univ.-Prov. Dr. rer.nat. Willi Jahnen-Dechent ist Leiter desLehr- und Forschungsgebiets„Zell- und Molekularbiologie anGrenzflächen“. Er führt dieNachwuchsgruppe und diezentrale Laborfläche des Interdis-ziplinären Zentrums für KlinischeForschung (IZKF) „BIOMAT.“.

„Biomaterialien und Material-Gewebsinteraktionenbei Implantaten“ Bild 1: Gelextraktion auf dem

UV-Leuchttisch. Zur Sichtbar-machung wird die DNA durchEinlagerung mit Ethiliumbromid

lokalisieren und gezielt extra-hieren.

angefä rbt. Unter Ultraviolett-

Foto: Peter Winandy

Beleuchtung lä sst sich die DNA

52

extilien können in unter-schiedlichen Geometrienhergestellt werden und sind

in der Lage vielfältige Funktionenzu erfüllen. Ausgangswerkstoffesind größtenteils Polymere biolo-gischen oder chemischen Ur-sprungs. Ein Teil dieser Materiali-en kann auch in den Körper im-plantiert werden. Daher liegt derAnsatz nahe, aus solchen textilenStrukturen Implantate Maß zuschneidern. Die Kooperation vonTextiltechnikern und Ärzten hatdaher in Aachen zu einigen inno-vativen Projekten geführt, die in-zwischen auf dem Weg in die kli-nische Anwendung sind und zuneuen Lösungen im Bereich derImplantate führen.

Durch spezifisch angepasstetextile Fertigungstechniken kön-nen polymere Fasern wie zumBeispiel Polyvinylidenfluoridfila-mente zu sehr feinmaschigenGewirken verarbeitet werden,die annähernd gleiche Deh-nungseigenschaften wie das um-liegende Gewebe aufweisen undsomit im Einheilungsprozess kei-ne Gefügeverschiebung bei Be-lastung verursachen. Damit wirdein geordneter Einwachsprozesserreicht, der sowohl für die Be-festigung der künstlichen Horn-haut wie aber auch für die Be-siedlung eines Gefäßersatzesentscheidend ist.

Der biologische Ansatz zurVerwendung von Textilien setztimmer voraus, dass diese in denKörper integriert werden. Dieswird in Aachen bei der Horn-hautprothese durch die operativeImplantation und das anschlie-ßende „Einwachsen” von Zellenund Bindegewebe in das Textilerreicht. Um eine erste Stabilitätzu erhalten, wird die Textilstruk-tur am Auge festgenäht.

Bei den Gefäßprothesen wirdein weiterer Kniff im Reagenz-glas vorbereitet. Hier werden dieTextilien mit einer Art Gel ausBlutkleber (Fibrin) und Gefäß-muskelzellen in eine Gießformeingegossen. Anschließend wirddie Form geschickt verändert,wobei gleichzeitig mit einemgleichmäßig durchströmten In-nenrohr eine zweite Lage vongefäßauskleidenden Endothelzel-len eingespült wird. Diese blei-ben bevorzugt auf den Innen-rohren der Fibrin-Muskelzellmat-rix kleben und bilden dort flächi-ge abgeschlossene Systeme.Durch diese Technik ist es mög-lich fertige stabile und sogarmuskulär reagierende Gefäß-schläuche als Implantate zu ferti-gen.

All diese Techniken werdenin einem Verbund von Ingenieu-ren, Chemikern und Ärzten ent-wickelt. Hierbei werden unter-schiedliche Werkstoffe, Prozesseund Techniken kombiniert. DieTextiltechniker geben mit ihremKnow-how zum Thema Faden-bildungs-, Wirk- und Fügetech-niken entscheidende Impulse zurBelastungsverteilung und zurHerstellung von 3-dimensionalenStrukturen, die das vorgegebeneAnforderungsprofil erfüllen. Da-mit hat der Mediziner nachgemeinsamer Auswahl der Ma-terialien mit dem Chemiker eineVorgabe für sein Implantat. Die-ses wird anhand von Versuchenin der Zellkultur, am Tier unddann in kontrollierten von derhiesigen Ethikkommission begut-achteten und genehmigten Stu-dien am Menschen Schritt fürSchritt immer weiter verfeinertwerden.

Autor:

Prof. Dr. med. Norbert Schrageist Kommissarischer Direktor derUniversitäts-Augenklinik.

Norbert Schrage

Textile Werkstoffein Gefäßprothesenund künstlicher Hornhaut

T

53

erforierte Scaffolds (Pat-ches), die durch Bohren mitLaserstrahlung hergestellt

werden, sollen zukünftig in derAugenheilkunde sowohl zumVerschluss von Löchern in derNetzhaut (Retina) als auch zurBefestigung von aktiven Implan-taten (Retina-Stimulator) auf derNetzhaut eingesetzt werden.

Im Falle des Patch (ein Scheib-chen aus Silikonkautschuk von 2 mm Durchmesser und etwa100 µm Dicke) wird der Rand mitHilfe von Laserstrahlung mikro-perforiert, so dass Bindegewebs-zellen der Netzhaut (Müller-Zel-len bzw. Gliazellen) einwachsenkönnen. Der Patch verschließtLöcher in der Netzhaut und ver-hindert so, dass Flüssigkeit hinterdie Netzhaut tritt, die die Funk-tionalität und Ernährung, alsoauch das Sehvermögen des Pati-enten beeinträchtigen würde.

Der Patch kann gleichzeitigals Pharmadepot zur Therapievon HIV oder anderen Erkran-kungen genutzt werden, indemin die poröse Struktur Medika-mente in Sphären (Kugeln) de-poniert werden. Das Medika-ment diffundiert kontinuierlichaus dem Depot in das Auge undlöst so die erwünschte therapeu-tische Wirkung aus.

Die zweite Applikation ist dieBefestigung eines aktiven Im-plantats auf der Netzhaut. Einsolches aktives Implantat ist derRetina-Stimulator. Für eine guteSignalübertragung zwischen Sti-mulationselektroden und Gangli-enzellen ist er auf der Netzhautortsstabil zu befestigen. Um diesmöglichst schonend zu realisie-ren, werden die elektronischenKomponenten in einen weichenbioverträglichen Kunststoff namens Polydimethylsiloxan(PDMS) eingebettet. In denRand der PDMS-Hülle (Haptikgenannt) werden mit Hilfe vonLaserstrahlung kleine Löcher von50 µm Durchmesser gebohrt.Diese ermöglichen, dass Binde-gewebszellen der Netzhautdurch die Löcher hindurch wach-sen und das Implantat bioche-misch fixiert wird.

Bild 1: Funktionsmuster einesRetina-Stimulators mit Emp-fangsmodul, Flachbandkabel,Stimulationselektronik undElektrodenarray (von links nachrechts).

Diese neuartige Sehprothesesetzt sich aus Sende-, Empfangs-und Stimulationsmodul sowiedem Elektrodenarray zusammen.Das Sendemodul ist in einemBrillengestell angeordnet. DasEmpfangsmodul sitzt im Kapsel-sack des Auges, also dort wo dieLinse saß, das Stimulationsmodulauf dem Flachkabel vor demElektrodenarray. Die Elektronikwird in der Arbeitsgruppe vonProfessor Mokwa im Institut fürWerkstoffe der Elektrotechnikentwickelt.

Da das Siloxan (PDMS) auf-grund seiner hohen Elastizitätmechanisch nur ungenügend be-arbeitet werden kann, bietet sichdie Mikrostrukturierung mit Exci-merlasern bei Wellenlängen von248 und 193 nm an. Beim La-serabtrag wird die Strahlungdurch eine Lochblende und eineFokussieroptik so geformt undgebündelt, dass ein kreisrunderEinbrand entsteht. Das Materialim bestrahlten Bereich wird di-rekt verdampft, was bei längerenBestrahldauern zu durchgehen-den Bohrungen definierter Geo-metrie und Rauheit führt.

Die Laserperforation ist einekontaktfreie Methode, die me-chanische und thermische Bean-spruchung des bearbeiteten Ma-terials ist sehr gering und eignetsich besonders gut für empfindli-che Mikrobauteile. Ein weitererVorteil besteht darin, dass dieLaserbearbeitung die Bioverträg-lichkeit des Grundmaterials nichtnegativ beeinflusst. Zwar schei-det sich das abgetragene Materi-al zum Teil wieder auf der Ober-fläche ab, es konnte aber einVerfahren entwickelt werden,dies zu vermeiden und die Abla-gerungen zu entfernen. So kannsichergestellt werden, dass dasbearbeitete Material nach demLaserprozess die gleiche Zusam-mensetzung und Eigenschaftenaufweist wie vor der Bearbei-tung.

Die Anwendung des amFraunhofer Institut für Lasertech-nik entwickelten Bearbeitungs-verfahrens erfolgte an ersten De-monstrationsmodellen des Reti-na-Stimulators in enger Zusam-menarbeit mit dem Institut fürPathologie. Durch erfolgreicheZellbesiedlung von lasergebohr-ten PDMS-Folien und Hüllkör-pern konnte seine Eignung ge-zeigt werden.

Durch die eingebrachten Lö-cher wachsen Gliazellen und

Elke Bremus-Köbberling, Arnold Gillner, Hartwig Höcker, Reinhart Poprawe, Horst A. Richter

Laserbohrungen für die Befestigung von Retina-ImplantatenEin Beispiel für den Einsatz von Laserstrahlung in der Medizintechnik

P

54

fixieren das Implantat auf derNetzhaut. Dies ist sowohl in vi-tro, als auch im Tierversuch, inKooperation mit der UniversitätEssen bewiesen worden.

Für ein verbessertes Einwach-sen der Zellen hat sich eine che-mische Oberflächenmodifizie-rung, die am Deutschen Wollfor-schungsinstitut entwickelt wur-de, als erfolgreich herausgestellt.Nach der Mikrostrukturierungdes Implantats kann das Grund-material durch das Aufpfropfeneines weiteren Polymers (Pfropf-copolymerisation) so verändertwerden, dass Proteine auf derOberfläche verankert werdenkönnen, die das Anhaften vonZellen erleichtern. Durch dieWeiterentwicklung des Verfah-rens am Institut für Pathologie istdie biochemische Fixation desStimulators auf der Netzhaut ingreifbare Nähe gerückt. Zur Zeitwird das Verfahren in Kooperati-on mit den Augenkliniken derUniversitäten Essen und Köln imTiermodell auf seine Langzeitsta-bilität erprobt.

Weitere Aufgaben sind nochzu lösen, bevor das künstlicheSehen durch ein Elektrodenarraybetroffenen Patienten zu „Seh-Wahrnehmungen” verhilft. Aberes handelt sich um ein gutes Bei-spiel für eine erfolgreiche inter-disziplinäre Forschungskoopera-tion, wenn es gelingt, die Umset-zung der Forschungsergebnissein ein Produkt zu realisieren.

Autoren:

Dipl.-Chem. Elke Bremus-Köb-berling ist Wissenschaftliche An-gestellte im Fraunhofer-Institutfür Lasertechnik, Forschungsge-biet: Mikrobearbeitung von Po-lymeren mit Laserstrahlung.Dr.-Ing. Arnold Gillner ist Abtei-lungsleiter im Fraunhofer-Institutfür Lasertechnik, Forschungsge-biet: Mikrotechnik, Lasertechnik.Univ.-Prof. Dr. rer.nat. HartwigHöcker ist Direktor des Deut-schen Wollforschungsinstitutsund Inhaber des Lehrstuhls fürTextilchemie und Makromoleku-lare Chemie.Univ.-Prof. Dr. rer.nat. ReinhartPoprawe ist Inhaber des Lehr-stuhls für Lasertechnik und Leiterdes Fraunhofer-Instituts fürLasertechnik ILT.Dr.-Ing. Horst A. Richter ist Wis-senschaftlicher Mitarbeiter im In-stitut für Pathologie.

ie perkutane transluminaleKoronarangioplastie(PTCA), also die Dehnung

krankhafter Blutgefäßverschlüssemit einem am Katheter befestig-ten Ballon, stellt seit ihrer Einfüh-rung im Jahre 1977 mit jährlichmehr als 1,5 Millionen Eingriffenweltweit den häufigsten kathe-tertechnischen Eingriff zur Be-handlung der akuten sowie derchronischen Durchblutungsstö-rung des Herzmuskels dar. Prob-leme des Verfahrens sind derakute Einriss der Gefäßinnen-wand (Gefäßwanddissektion)durch die mechanische Gefäß-dehnung, das elastische Wieder-zusammenziehen der Gefäß-wand nach Aufdehnung (Recoil)und die Entwicklung eines chro-nischen Gefäßverschlusses (Res-tenose). Der heute übliche Ein-satz von Gefäßstützen, so ge-nannter Stents aus rostfreiemMaschendraht, in mehr als 80Prozent aller PTCA-Prozedurenerlaubt die effektive Behandlungder akuten Koronardissektion(Spaltung der Wand von Herzar-terien) und kann das „elastischeRecoil” verhindern. Die Entwick-lung einer In-Stent Restenosenach Stentimplantation innerhalbder ersten sechs Monate nachdem Kathetereingriff stellt abermit weiterhin wenigstens 25 bis30 Prozent unverändert einenwesentlichen Nachteil der Me-thode dar, die oft eine erneutekathetertechnische oder chirurgi-sche Revaskularisation nach sichzieht. Die Entstehung der In-Stent Restenose ist gekennzeich-net durch die Umwandlung glat-ter Gefäßmuskelzellen in der Ge-fäßwand von einem ruhenden,kontraktilen (zusammenziehba-ren) in einen proliferativen (wu-chernden) Typ. Nachfolgendkommt es zu einer Wanderungin die Gefäßinnenwand mit Sek-retion von spezifischen Proteinender Extrazellulärmatrix. Die hie-raus entstehende Gewebswu-cherung (Neointima) führt zurWiedereinengung des Gefäßesmit nachfolgender Minderdurch-blutung des Herzmuskelgewebes(Myokardischämie) bis hin zumVerschluss mit der Folge einesHerzinfarktes.

Neben der Entwicklung einerIn-Stent Restenose in etwa ei-nem Viertel aller Fälle ist die Im-plantation von Metall-Stents mitweiteren Problemen behaftet.Bei der stetig an Bedeutung ge-winnenden nicht-invasiven Mag-netresonanz-Koronarangiogra-phie führen Metallstents zu Arte-fakten in der Bildgebung, ein bis-her technisch ungelöstes Prob-lem. Falls eine Bypassrevaskulari-sation nach vaskulärer Interven-tion und Stentimplantation not-wendig ist, können Metallstent-implantate Probleme bei der Bil-dung der Gefäßverbindung(Anastomosierung) der Bypass-gefäße darstellen. Ferner ist dieLangzeitwirkung von Metallim-plantaten auf den menschlichenOrganismus noch unklar. AufGrund dieser Limitationen wurdeein neuartiges, alternativesStentkonzept erprobt, nämlichdie Entwicklung von bioresor-bierbaren Kunststoffstents, dieaus Polylactidsäure (Milchsäure)bestehen. Diese bieten zusätzlichden Vorteil, eine lokale Applikati-on von biologischen Substanzendurch das Einbringen in das Poly-mer zu ermöglichen und könnennach einem definierbaren Zeit-raum von mehreren Monaten imBlutgefäss abgebaut werden.

Die Stents werden im so ge-nannten CESP-Verfahren (Con-trolled Expansion of SaturatedPolymers) hergestellt (Bild 1).Dieses erlaubt das Einwachsenbiologisch aktiver Substanzendurch eine niedrige Prozesstem-peratur von 37°C und vermeidetsomit die biologische Inaktivie-rung durch Hitze wie bei kon-ventionellen Herstellungsverfah-ren. Auf diese Weise kann derStent nicht nur als Gefäßstützedienen, sondern erlaubt auch diemedikamentöse Therapie deskrankhaft veränderten Gefäßbe-reichs vor Ort.

Die das CESP-Verfahrenkennzeichnende Phase ist dieDruckentlastungsphase, in derder Schäumprozess und damitdie Entgasung des Polymers initi-iert wird. Aufbauend auf bisherdurchgeführten Untersuchungenwird eine Werkzeugkavität ausLamellenpaketen gestaltet, wo-bei die Fugen zwischen den La-mellen der Entlüftung dienen.Die Lamellen sind mit einer an-tiadhäsiven Oberfläche aus ei-nem auf Fluor basierenden Poly-mer beschichtet.

Eine Gefäßstütze, deren Im-plantation im Menschen ange-strebt wird, muss, abhängig vomImplantationsort, einen Durch-messer zwischen 2,5 bis 4 mmaufweisen. Um eine ausreichen-de Überdeckung der Gefäßeng-stelle zu erzielen, sind Stentlän-gen von etwa 8 bis 30 mm erfor-derlich. Der Stent wird durch ei-nen Katheter über einen Füh-rungsdraht an den Implantati-onsort transportiert. Hierbeimuss er innerhalb des GefäßesRichtungsänderungen zwischen60° und 90° überwinden. Fernerist es erforderlich den Durchmes-ser des Stents von 3 bis 4 mmauf 1,5 bis 2 mm verringern zukönnen, damit der Stent die Eng-stelle passieren kann. Die Wand-dicke des Stents muss so geringwie möglich gehalten werden, dader Strömungsquerschnitt, dernach der Implantation noch zurVerfügung steht, ein weitgehendungehindertes Abfließen des Blu-tes gewährleisten muss.

Die Herstellung der Stents er-folgt aus einer im CESP-Verfah-ren erzeugten Folie. Aus dieserFolie werden Streifen ausge-schnitten, in die eine Leiterstruk-tur eingebracht wird. Anschlie-ßend werden die Streifen zu spi-ralförmigen Stents gewickelt.

Die spiralförmige Geometriedes Stents ermöglicht es, dassder Stent durch Torsion um dieLängsachse auf einen Durchmes-ser gebracht werden kann, derden Transport des Stents im Ka-theter gestattet. Darüber hinausstellt diese Geometrie auf einfa-che Art und Weise sicher, dassder Stent auch im expandiertenZustand am Implantationsortverbleibt.

In einem ersten Schritt wur-den Stents mit helikalem Designund ein der neuen Geometrieangepasster modifizierter Ballon-katheter hergestellt. Anschlie-ßende In-vitro-Studien zeigtendie notwendige Bio- und Blutver-träglichkeit des Materials sowieausreichende statische Eigen-schaften des Stents. Fernerkonnte die Abgabe einer in dasPolymer eingebrachten Marker-substanz über einen Zeitraumvon sechs Wochen demonstriertwerden. Zur Überprüfung desKonzeptes wurde die aus der Tu-mortherapie bekannte SubstanzPaclitaxel (Taxol®) in die Stentsinkorporiert, um die Wucherungvon glatten Muskelzellen und

Entwicklung eines neuartigen, Subheadline

D

55

damit die Restenosebildung zuverhindern. Prototypen der Poly-merstents wurden im Tiermodellimplantiert. Die korrekte Stent-implantation wurde angiogra-phisch und zum Teil mit Hilfevon intravaskulärem Ultraschallkontrolliert. Die Gewebsanalysenach drei Wochen erbrachte einesignifikante Reduktion der Restenoseentwicklung in der Taxol®-beladenen Stentgruppeim Vergleich zur Kontrollgruppeder unbeladenen Stents. In In-vitro-Versuchen wurde der Ab-bau des Polymers über einenZeitraum von drei bis vier Mona-ten demonstriert. In einem drei-monatigen In-vivo-Langzeittier-versuch war der Polymerstent je-doch nach drei Monaten nochnicht vollständig abgebaut unddamit die Stützfunktion desStents weiter erhalten.

Diese Daten zeigen, dass Po-lymerstents in Verbindung mitdem Einsatz neuartiger Verarbei-tungsverfahren interessante Al-ternativen zu herkömmlichenMetallstents darstellen. Proble-matisch ist die zur Zeit noch be-stehende geringere mechanischeBelastbarkeit der Polymer- imVergleich zu den Metallstentsund die erhöhte Neigung zurBlutgerinnung. Deshalb sind wei-tere experimentelle Untersu-chungen notwendig, um die Ver-wendung neuartiger, blutver-träglicherer Polymere und dieweitere Miniaturisierung derStents zu erproben.

Autoren:

Dr. med. Rüdiger Blindt ist Wis-senschaftlicher Mitarbeiter in derMedizinischen Klinik I.Univ.-Prof. Dr. med. Peter Han-rath ist Direktor der Medizini-schen Klinik I.Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h.Walter Michaeli ist Inhaber desLehrstuhls für Kunststoffverar-beitung und Leiter des Institutsfür Kunststoffverarbeitung (IKV).Dr.-Ing. Oliver Pfannschmidt istWissenschaftlicher Mitarbeiterim Institut für Kunststoffverar-beitung.Dipl.-Ing. Gösta Rettemeier istWissenschaftlicher Mitarbeiterim Institut für Kunststoffverar-beitung.Dr. med. Felix Vogt ist Wissen-schaftlicher Mitarbeiter im IZKF„BIOMAT.” des Universitätskli-nikums.

Rüdiger Blindt, Peter Hanrath, Walter Michaeli, Oliver Pfannschmidt, Gösta Rettemeier, Felix Vogt

resorbierbaren Gefäßimplantats für Koronararterien

Sättigung des Polymersmit CO2 in einem Autoklav

Controlled Expansionof Saturated Polymers

Polymerpulver geschäumtes Implantat

56

ach Operationen amHarnleiter, der den Urinaus der Niere in die Blase

transportiert, aber auch nachNierenbeckeneingriffen und Ent-fernungen der Harnblase, ist esin der Regel notwendig, dieNahtstellen am Harnleiter mit ei-nem Kunststoffschlauch zuschienen. Damit will man Veren-gungen durch Vernarbung vor-beugen und die Naht entlasten.Zu diesem Zweck legt man denSchlauch zumeist von der Blaseüber den ganzen Harnleiter bis indie Niere. Man verwendet meis-tens Modelle, die sich am oberenEnde im Nierenbecken und un-ten in der Blase aufkringeln, da-mit sie an der vorgesehenen Stel-le verbleiben. Bis heute hat manKunststoffe benutzt, die im Laufeder Zeit zwar immer verträglicherwurden, aber alle ein wesentli-ches Problem aufweisen: Siemüssen nach Abschluss derWundheilung entfernt werden.Dazu muss sich der Patient einerunangenehmen Blasenspiege-lung unterziehen. Auch kann dasin der Blase liegende Schlauchen-de zu Reizungen und Schmerzenin der Harnblase führen. Häufigbeobachtet man ein Aufsteigendes Urins bei voller Blase durchden Schlauch bis ins Nierenbe-cken, welches in seltenen Fällendurch den hohen Druck zu Schä-den an der Niere führt.

Aus diesen Gründen war esdas Ziel, eine Harnleiterschienezu entwickeln, die sich selbstän-dig im Körper auflöst und nichtmehr aufwändig entfernt wer-den muss. Zusätzlich kann eineauflösbare Schiene auch wesent-lich kürzer sein, da man sie vorOrt befestigen kann. Damit ent-fallen die Nebenwirkungen derbislang eingesetzten Katheter.

Nach langen Versuchsreihengelang es, Prototypen auflösba-rer Harnleiterschienen erfolgreichan Schafen zu testen. Zunächstmusste ein Material gefundenwerden, das der Körper sicherverträgt. Auch darf sich derKunststoff weder zu schnell,noch zu langsam auflösen unddas Material muss sich derartgleichmäßig abbauen, dass esnicht in grobe Stücke zerfällt, dieden Harnleiter verstopfen könn-ten.

Daher wurden zunächst ver-schiedene Kunststoffe auf ihrAbbauverhalten in künstlichemUrin untersucht. PDLLA-co-TMC,eine Mischung aus Poly(D,L-Lac-

tid) und Trimethylencarbonatschien den Anforderungen zuentsprechen. Beim Abbau ent-steht harmlose Milchsäure. DerStoff löst sich sehr gleichmäßigauf und zerfällt nicht in grobeTeile. Leider dauerte es mehrereMonate, bis die gegossenen Foli-en vollständig abgebaut waren.Eine Zeit von vier bis acht Wo-chen wäre optimal. Gemeinsammit dem Institut für Kunststoff-technik wurde ein Verfahrenzum Aufschäumen des Kunst-stoffgranulats unter hohemDruck entwickelt, da davon aus-zugehen war, dass sich ein mitungezählten kleinen Mikroporendurchsetztes Material deutlichschneller auflöst. Erste Harnlei-terschienen mit einer Länge vonetwa 3 cm, einer Wandstärkevon 0.3 mm und einem Innen-durchmesser von 2 mm ausPDLLA-co-TMC wurden gefer-tigt. Tatsächlich lösten sich diesefeinporigen Prototypen im Urinbereits nach sechs bis neunWochen vollständig und gleich-mäßig auf.

Neben dem Abbauverhaltenist jedoch viel entscheidender füreinen erfolgreichen Einsatz in derHumanmedizin, dass das Materi-al uneingeschränkt verträglichist. Es darf weder giftige Sub-stanzen abgeben, noch eine Ent-zündung herbeiführen in demGewebe, mit dem es in Kontakttritt. So wurden weitere Untersu-chungen durchgeführt, in denenmenschliche Harnleiterzellen aufPDLLA-co-TMC-Folien gezüch-tet wurden. Verschiedene Test-verfahren zeigten, dass Vitalitätund Wachstum der Zellen in kei-ner Weise beeinflusst werden.

Es ist bekannt, dass Materia-lien, die längere Zeit mit Urin inKontakt stehen, dazu neigen zuverkrusten. Auf der Oberflächelagern sich zunehmend Kristallean, die das Röhrchen schnell ver-stopfen können. Außerdem set-zen sich auf rauer Oberflächeund auf den Kristallen leicht Bak-terien an, welche zu behand-lungsbedürftigen Infektionen derHarnwege führen können. Dahermusste die Oberflächenbeschaf-fenheit der Harnleiterschieneverbessert werden. Wir entschie-den uns für ein Verfahren, das eserlaubt, das Basismaterial mit ei-nem Mantel aus nahezu beliebi-gem Kunststoff zu überziehen.Bei der so genannten plasma-induzierten Pfropfcopolymerisa-tion wird zunächst die Material-

oberfläche „reaktionsfreudig“gemacht, indem man sie mit Ar-gonplasma behandelt. UnterPlasma versteht man hier ange-regtes Gas, welches aus Neutral-teilchen, Radikalen, Ionen, Elekt-ronen und angeregten Atomenbesteht. So entstehen Radikaleauf der Oberfläche. Gibt mannun das Material in eine beliebi-ge Kunststofflösung, so haftetder Kunststoff nach UV-Licht-Bestrahlung auf dem Trägerma-terial. Verschiedene Kunststoffewurden auf ihre Verträglichkeitund Abbaueigenschaften getes-tet. Nachdem sich Acrylsäure,HEMA (Hydroxyethylmethacry-lat) und OEOMA (Oligoethylen-oxidmonomethacrylat) als geeig-net erwiesen, züchteten wir er-neut Zellen auf Folien an und be-stimmten den Anteil der be-wachsenen Fläche unter demMikroskop. Durch die HEMA-Be-schichtung konnte die Oberflä-chenhaftung im Vergleich zumunbeschichteten Material umüber 60 Prozent vermindert wer-den.

Die im Labor geeignet er-scheinende PDLLA-co-TMC-Harnleiterschiene mit HEMA-Beschichtung wurde nun erstenklinischen Tests unterzogen. Wirsetzten sie durch eine Operationmit Eröffnung des Harnleiters zurSchienung der Naht in sechsSchafe ein und fixierten dasRöhrchen mit einem auflösba-ren Faden. Alle Tiere zeigtennach einer Zeit von maximal 19Wochen keinerlei Komplikatio-nen. Alle Blut- und Urinanalysenwiesen nie Entzündungszeichenauf. Regelmäßige Ultraschallun-tersuchungen erbrachten unauf-fällige Ergebnisse ohne Zeicheneines Urinstaus durch eventuelleVerstopfungen des Röhrchens.Es fanden sich auch keine sicht-baren Fragmente der Schienenim Urin.

Nach Abschluss des Versu-ches zeigte sich, dass die Opera-tionswunden am Harnleiterkaum noch zu sehen waren undes nicht zu einer narbenbeding-ten Verengung gekommen war.Schließlich wurden feingewebli-che Untersuchungen unter demMikroskop durchgeführt, um zusehen, ob das Harnleitergewebe.das in direkter Berührung mit derSchiene war, in irgendeiner Formverändert erschien. Wir fandenjedoch völlig intaktes und gesun-des Gewebe. Bei der mikroskopi-schen Untersuchung der Naht-

stellen, welche durch unsereSchienen gesichert wurden, stell-ten wir fest, dass es nicht nur zueiner guten Wundheilung ge-kommen war, sondern dass auchdie Muskelschicht in der Harnlei-terwand fast vollständig wieder-hergestellt war. Gelegentlich be-obachtet man bei Patienten nachEingriffen am Harnleiter, dassauch ohne Verengung der Harn-transport zur Blase gestört ist, dader Weitertransport durch diezerstörte Muskulatur an derHarnleiterwunde nicht fortge-setzt werden kann. Tatsächlichzeigten sich auch in der Zellkul-tur wachstumsfördernde Effektedes PDLLA-co-TMC, was mögli-cherweise auch eine günstige Be-einflussung der Wundheilungbedeuten kann.

Insgesamt stellen wir fest,dass die von uns entwickelteHarnleiterschiene ohne jeglicheKomplikationen im Tierversuchgetestet wurde. Sicherlich sindweitere Untersuchungen an we-sentlich mehr Tieren erforderlich.bevor man den Einsatz im Men-schen wagt. Weiter wird darangearbeitet, die Schiene auch imRöntgenbild erkennen zu kön-nen, um ein mögliches Verrut-schen im Harnleiter rechtzeitig zubemerken. Das Konzept scheintjedoch aufzugehen und dem-nächst wird man vielleicht man-chem Patienten nach den ver-schiedensten Operationen amHarnleiter die Zeit nach dem Ein-griff erleichtern können.

Autoren:

Dr. med. Andreas Brauers warAssistenzarzt in der UrologischenKlinik und ist heute niedergelas-sener Facharzt für Urologie. Dr. med. Friedrich Hölzl ist Arztin der Chirurgischen Klinik.Univ.-Prof. Dr. med. GerhardJakse ist Inhaber des Lehrstuhlsund Direktor der UrologischenKlinik.Dr. med. Edith Manegold warAssistentin im Institut für Patho-logie.Dr.-Ing.-Ing. Oliver Pfann-schmidt ist WissenschaftlicherMitarbeiter des Instituts fürKunststoffverarbeitung.PD Dr. med. Dorothea Rohr-mann ist Oberärztin in der Uro-logischen Klinik.

Andreas Brauers, Friedrich Hölzl, Gerhard Jakse, Edith Manegold, Oliver Pfannschmidt, Dorothea Rohrmann

Entwicklung einer im Körper auflösbaren HarnleiterschieneDer Weg von einer Idee bis zum Prototypen eines Medizinprodukts

N

Durchstarten mit Energie.Mit uns Ziele erreichen als Hochschulabsolvent/inder Fachrichtungen Elektrotechnik, Maschinenbau,Verfahrenstechnik, Physik, Kernphysik oder Wirt-schaftwissenschaften – im Direkteinstieg oder überein 15-monatiges Trainee-Programm.

E.ON Kernkraft GmbH, Tresckowstr. 5, 30457 Hannover

www.eon-kernkraft.com

58

59

er Ersatz von Knochenge-webe ist eine bedeutendeAufgabe in der Chirurgie

des Bewegungsapparates. DurchTumore, Verschleißerkrankun-gen oder Unfälle mit Gewebszer-störung müssen bei etwa zehnProzent aller Wiederherstellungs-eingriffe am BewegungsapparatHohlräume im Knochen gefülltoder Defekte überbrückt wer-den. Allein in den USA ist das bei500.000 bis 600.000 Operatio-nen pro Jahr der Fall. Etwa 50Prozent entfallen auf Eingriffe ander Wirbelsäule. Zum überwie-genden Teil wird heute der Kno-chenersatz mit eigenem oder hu-manem Spenderknochen vorge-nommen, nur in etwa zehn Pro-zent der Eingriffe kommen Kno-chenersatzmaterialien zum Ein-satz.

KnochenersatzmaterialienDas frische Eigentransplantat als„goldener Standard” des Kno-chenersatzes heilt rasch ein undkann entsprechend den biome-chanischen Erfordernissen umge-baut werden. Nachteile ergebensich durch den zusätzlichen Ent-nahmeeingriff und die begrenzteTransplantatmenge. Daneben istdie Verwendung von Spender-knochen aus Knochenbanken einweit verbreitetes Verfahren.Nachteilig sind die geringere bio-logische Aktivität und die mit derGewinnung und Lagerung vonSpenderknochen verbundenenKosten und Risiken.

Gips als wohl ältester Kno-chenersatzstoff wird bereits seit1892 zur nicht lasttragendenAuffüllung von Knochenhohlräu-men verwendet. Neben Materia-lien tierischer Herkunft sind heu-te Hydroxylapatit- und Tricalci-umphosphatkeramik in Anwen-dung. Beide werden teilweise ab-gebaut und begünstigen das Ein-wachsen von Knochen, induzie-ren jedoch kein neues Wachstumund sind nicht lasttragend ein-setzbar. Die so genannten Bio-gläser ähneln in ihren mechani-schen Eigenschaften den Calci-umphosphatkeramiken und kön-nen in bestimmten Zusammen-setzungen Knochenneubildunginduzieren.

Aachener Knochenersatz-material „Ecopore“Vor diesem Hintergrund adap-tiert eine Aachener Forscher-gruppe die ursprünglich zurSchalldämmung entwickelte Ke-ramik Ecopore als neuartigenKnochenersatzstoff. Ingenieur-seitig muss dabei die Porengrößevon bis zu vier Millimeter auf diebenötigten 150 µm bis 300 µmgesenkt und die bei der Schall-dämmung kaum benötigte me-chanische Festigkeit muss fürmedizinische Anwendungen op-timiert werden. In Studien- undDiplomarbeiten werden ausBruchversuchen Gesetzmäßig-keiten abgeleitet, die an dieBruchmechanik klassischer Inge-nieurkeramiken angelehnt sind.Von klinischer Seite wird die me-chanische Qualität von Ecoporeim Vergleich zu Knochenprobenund im Rahmen einer medizini-schen Doktorarbeit in einem An-wendungsmodell geprüft.

Die vom Institut für Kerami-sche Komponenten im Maschi-nenbau (IKKM) patentierte of-fenporöse Keramik Ecopore istein Kompositwerkstoff aus TiO2

und dem Porenbildner Perlitglas.Zur Herstellung solcher offenpo-rösen Bauteile wird eine wässrigeTiO2-Suspension mit Perlitgranu-lat entsprechend der angestreb-ten Porengröße gemischt. Beimkeramischen Brand schmilzt dasbis zu 95 Prozent poröse Glas-granulat auf und hinterlässt anseiner Stelle ein Porensystem mitüberwiegend interkonnektieren-den Porositäten bis zu 70 Pro-zent. Auch der Aufbau von Sys-temen mit gradierter Porositätvon dicht (unporös) bis zu Po-rendurchmessern von maximalvier Millimeter ist möglich.

Biologisches Verhalten Die biologischen Eigenschaftenwerden in Zellkulturen unter-sucht und durch In-vivo-Versu-che als letzte Stufe vor dem hu-manen Einsatz ergänzt. In ge-normten Zellkulturuntersuchun-gen der zugelassenen PrüfstelleBMP in Aachen zeigt Ecoporekein zelltoxisches Verhalten, istalso biokompatibel. Diese Testserlauben systembedingt aberkeine Aussage zur Qualität derIntegration des Materials inmenschlichen Knochen. Deshalbbestätigt die Klinik für Unfallchi-rurgie durch wirklichkeitsnähereUntersuchungen mit menschli-chen Knochenzellkulturen diebiologische Unbedenklichkeit desneuen Werkstoffs im Knochen-kontakt. Ein erster Tierversuchweist auf günstige Leitschiene-neigenschaften mit guter Ver-zahnung zwischen unbehandel-tem Ecopore und umgebendemKnochen hin.

GrenzflächenoptimierungDie Kultivierung von menschli-chen Knochenzellen auf Ecoporemodelliert die Interaktion zwi-schen Implantat und umliegen-dem Gewebe. Wie gezeigt er-laubt Ecopore in diesem Modelldie Vermehrung reifer Knochen-zellen, jedoch ist das Wachstumnoch gebremst. Ein weiteres Ent-wicklungsziel ist daher die Ver-besserung der Grenzflächen-eigenschaften durch Proteinim-mobilisierung auf der Implanta-toberfläche. Diese Proteine sol-len über das gezielte Auslösenvon Zelldifferenzierung und -tei-lung ein schnelleres und nachhal-tigeres Einheilen von Implanta-ten ermöglichen, da Knochenzel-len durch die Proteine gewisser-maßen zu beschleunigter Ver-mehrung „angeschaltet“ wer-den. So genannte Silane wirkendabei als „Klebstoff” zwischenProteinen und Keramik. Der ersteSchritt bei der Proteinkopplungbewirkt eine als Reliefbildungsichtbare Korrosion der Glaspha-se an der Keramikoberfläche,und ist notwendige Vorausset-zung zur direkten Immobilisie-rung der organischen Bestandtei-le an die anorganische Keramik.Die Porosität erlaubt dabei als„Tiefenreservoir“ auch das Anle-gen von biologischer Potenz imVolumen eines Implantates undnicht nur an dessen äußererMantelfläche.

Verglichen mit unbehandel-tem Ecopore führt schon dieKopplung des einfachen ProteinsFibronectin nicht nur zu der er-warteten schnelleren Besiede-lung mit Knochenzellen, sondernauch zu „gesünderen”, also brei-ter anhaftenden und vitalerenZellen. Dies verdeutlicht die In-teraktion zwischen Zellen undWerkstoff sowie die Möglichkeit,hier mit anderen Proteinen nochgezielter regelnd einzugreifen.Weltweit arbeiten mehrere For-schergruppen an unterschiedli-chen Konzepten, solche „Schal-ter“ auf Implantaten in den Kör-per zu bringen. Die AachenerForscher haben die Wirksamkeitvon Proteinen gezeigt, die direktund kovalent an den möglichenneuen keramischen Knochener-satzstoff Ecopore gebunden sind.

Autoren:

Dr. med. Hans-Josef Erli ist Lei-tender Oberarzt an der Unfall-chirurgischen Klinik.Univ.-Prof. Dr.-Ing. Horst R.Maier ist Inhaber des Lehrstuhlsund Leiter des Instituts für Keramische Komponenten imMaschinenbau.Univ.-Prof. Dr. med. OthmarPaar ist Direktor der Unfallchirur-gischen Klinik.Dipl.-Ing. Christian Ragoß istWissenschaftlicher Mitarbeiterdes Lehrstuhls und Instituts fürKeramische Komponenten imMaschinenbau.

Hans-Josef Erli, Horst R. Maier, Othmar Paar, Christian Ragoß

Neue Wege beim Knochen- und Gelenkersatz IBrückenschlag zwischen keramischem Knochenersatz und Knochengewebe

D

60

n Deutschland werden proJahr mehr als 200.000 Gelenk-prothesen implantiert, die Ten-

denz ist steigend. Das am häu-figsten ersetzte Gelenk ist dasHüftgelenk, gefolgt vom Kniege-lenk.

Aufgrund des Materialab-riebs einer Prothese kommt esnach zehn bis zwanzig Jahren zurLockerung der Prothese. Diesemuss in einer aufwändigen Revi-sions-Operation ausgetauschtwerden. Keramiken produzierenkaum Abriebpartikel, haften je-

doch bisher nicht fest genug amumliegenden Knochen. For-schern der RWTH Aachen ist esjetzt erstmals gelungen, Kerami-ken durch eine spezielle Oberflä-chenbehandlung zu bioaktivie-ren. Hierdurch bieten keramischeProthesen neben ihren bekanntguten Abriebeigenschaften zu-sätzlich die Möglichkeit der di-rekten Verankerung im Knochen.Die Entwicklung vollkeramischerProthesen scheint möglich.

Prothesen müssen zweiHauptanforderungen erfüllen:

Sie müssen das Gelenk selbst er-setzen, also über zwei Gelenk-partner „gleiten” können, undsie müssen dauerbeständig sein,im Idealfall lebenslang. Nebenden Gleiteigenschaften der Ge-lenkpartner ist der dauerhafteVerbund von Knochen und Im-plantat von entscheidender Be-deutung.

Die derzeit gebräuchlichenMaterialien für den Gelenkersatzsind Metalle (Titan-, Kobalt-Chrom-Legierungen, Stähle),Kunststoffe (Polyethylen, PE)

und Keramiken (Aluminiumoxid,Zirkonoxid). Üblicherweise wer-den diese Materialien in einerProthese kombiniert: Metalle zei-gen das beste Anheftverhaltendes umliegenden Knochens, ha-ben insgesamt jedoch unbefrie-digende Abriebeigenschaften imGelenkbereich selbst. Keramik-Keramik-Parungen zeigen fastkeinen Abrieb. Das Problem desAbriebs ist von enormer Bedeu-tung, da die Abriebpartikel zuOsteolysen (Defekte im Knochenum die Prothese herum) führenund damit für die Lockerung derProthese verantwortlich sind.

Daher werden zur Befesti-gung im Knochen üblicherweiseMetalle verwendet, auf die einKeramikkopf aufgesteckt und imPfannenbereich ein so genanntesPE- oder Keramik-Inlay einge-bracht wird. Durch die Verwen-dung mehrerer Materialien in ei-nem Prothesensystem entstehenjedoch Grenzflächen zwischenden Materialien, die für Korrosi-on anfällig sind.

Der Versuch, die hervorra-genden Gleiteigenschaften derOxidkeramiken ohne Kombinati-on mit anderen Materialien imSinne von vollkeramischen Pro-thesen auszunutzen, scheiterte inden sechziger Jahren kläglich:Die Prothesen lockerten bereitsin den ersten zwei Jahren. Ursa-che ist die „Inertheit” der Oxid-keramiken. Kommt körpereige-nes Gewebe, zum Beispiel Kno-chen, mit Oxidkeramiken in Kon-takt, empfinden die Zellen dieOberfläche als „uninteressant”:Sie heften nicht an, sondern zie-hen sich zurück. Es entsteht zwi-schen Knochen und Keramik einZwischenraum, der mit Bindege-webe aufgefüllt wird. Dies führtzur Lockerung der Prothese.

Durch eine spezielle Oberflä-chenbehandlung erzielten For-scher der RWTH eine deutlicheSteigerung der Bioaktivität vonOxidkeramiken. Durch Hydroxy-lierung des Aluminiumoxides ander Oberfläche in Aluminiumhy-droxid konnte die Zellanheftungin der Zellkultur um 50 Prozentgesteigert werden, die Zellen mi-neralisierten auf der Oberflächedeutlich schneller als auf Kon-trollkeramiken. Ein Qualitätsver-lust der Keramiken wurde ausge-schlossen. Das mittlerweile welt-weit patentierte und lizensierteVerfahren ist technisch einfachdurchzuführen und preiswert.Sollten sich die bisher in der Zell-

Christopher Niedhart, Fritz Uwe Niethard, Michael Sax, Rainer Telle

Neue Wege beim Knochen- und Gelenkersatz IIVerbesserte Oberflächen eröffnen den Weg zur vollkeramischen Prothese

I

61

kultur erzielten Ergebnisse inweiterführenden Tierversuchenbestätigen, ist der Weg zur voll-keramischen Prothese einge-schlagen.

Autoren:

Dr. med. Christopher Niedhart ist Arzt in der OrthopädischenKlinik. Univ.-Prof. Dr. med. Fritz UweNiethard ist Direktor der Ortho-pädischen Klinik.Dipl.-Ing. Michael Sax ist Wis-senschaftlicher Mitarbeiter im In-stitut für Gesteinshüttenkunde.Univ.-Prof. Dr. rer.nat. RainerTelle ist Inhaber des Lehrstuhlsfür feuerfeste Werkstoffe undWissenschaftlicher Leiter des In-stituts für Gesteinshüttenkunde.

er Mensch wird immer äl-ter – aber er will perfektfunktionieren. Deswegen

spielen der Ersatz oder die Unter-stützung nicht mehr funktionie-render Organe durch Biomate-rialien eine zunehmende Rolle.Vor dem Einsatz im Körper müs-sen neue Materialien intensiv ge-testet werden, um eine negativeBeeinflussung des Zielorgans bishin zur Todesfolge zu vermeiden.Das Labor für medizinische Ma-terialprüfung (BMP) hat hier in-novative Prüfmethoden entwi-ckelt, um einen negativen Effektvon Biomaterialien auf den Or-ganismus bereits vor der Implan-tation sicher auszuschließen.

Der Anspruch an den eige-nen Körper steigt: Wer einkünstliches Hüftgelenk be-kommt, will trotzdem Joggenund Alpinski fahren, künstlicheGefäße oder Instrumente, mitdenen verschlossene Gefäße ge-öffnet werden können (Stents),sollen auch nach dem Herzin-farkt volle Leistungsfähigkeit ga-rantieren und das Schönheitside-

al wird mit Silikon oder anderenKunstgeweben erreicht. Hier sollder medizinische Fortschritt hel-fen.

Trotz großer Erfolge beimEinsatz von Biomaterialien mussman jedoch bei kritischer Be-trachtung feststellen, dass es –von wenigen Ausnahmen abge-sehen – in den letzten zwanzigJahren kaum Fortschritte bei derHaltbarkeit von Implantaten gab.Eher sind in einigen Bereichenrückläufige Entwicklungen zu er-kennen. In den USA, dem welt-weit größten Hersteller von Bio-materialien, werden immer mehrWerkstoffe zurückgezogen, dadas Implantationsrisiko zu großgeworden ist. Erhebliche ge-sundheitliche Folgen für die Pati-enten durch fehlerhafte Implan-tate oder Medizinprodukte tra-ten und treten immer wieder auf.Regressansprüche ehemaligerPatienten haben bereits zu Kon-kursen bei Herstellerfirmen ge-führt.

Ein Hauptproblem aller Im-plantate ist, dass sie, obwohl sie

„Biomaterialien” genannt wer-den, in der Regel nicht für diebesonderen Bedingungen immenschlichen Körper entwickeltwurden. Zumeist wurden Werk-stoffe aus anderen Gebieten ver-wendet: Es gibt Pfannen künstli-cher Hüftgelenke aus Polyethy-len, woraus auch Gefrierbeutelgefertigt werden. Für künstlicheBlutgefäße nahmen die ForscherEnde der sechziger Jahre das ur-sprünglich für Anoraks entwi-ckelte Gore-Tex. Für Brustim-plantate wird Silikon verwendet,das auch im Wohnungsbau zumAbdichten von Fugen benutztwird.

Hauptkriterium für einenWerkstoff für den Einsatz alsMedizinprodukt war bislang sei-ne Haltbarkeit. Ursache für einImplantatversagen sind jedochmeistens die biologische Fremd-körperreaktionen des Körpers.Diese können sowohl kurzfristignach Einbringen des Implantatesals auch nach mehreren Jahrenauftreten.

Wegen fehlender gesetzli-

Rolf Dario Frank, Bernd Klosterhalfen, Ute Müller, Christopher Niedhart

„Pflaster-TÜV“ für MedizinprodukteSicherheit und Verträglichkeit müssen überprüft werden

D

narstent ohne Auflagerungenvon Blutbestandteilen.

Bild 1: Blutverträ glicher Koro-

62

cher Regelungen durfte noch bisvor wenigen Jahren nahezu jederWerkstoff verwendet werden,wenn er nicht nachgewiesener-maßen gesundheitsschädlichwar. Erst Anfang der neunzigerJahre wurden in der Europäi-schen Union allgemeingültigeRegelungen erlassen, welche inDeutschland im Medizinproduk-tegesetz umgesetzt wurden.

Das Gesetz fordert vom Her-steller den Nachweis der Erfül-lung der medizinischen und si-cherheitstechnischen Anforde-rungen. Ein Medizinprodukt darfvor allem die Sicherheit und dieGesundheit des Patienten nichtgefährden. Nach diesen Richtlini-en dürfen europaweit nur nochneue Medizinprodukte verkauftwerden, die ein so genanntesCE-Zeichen tragen.

Vor dem Einsatz der Medi-zinprodukte ist deren biologischeVerträglichkeit (Biokompatibili-tät) nachzuweisen, um Versa-gensfälle oder für den Menschenschädliche (toxische) Reaktionenim Vorfeld minimieren zu kön-

nen. Unter Biokompatibilität ver-steht man die Fähigkeit einesMaterials, in einer spezifischenAnwendung bei angemessenerReaktion des menschlichen Kör-pers eine bestimmte Funktionauszuüben. Auch hier werdenwiederum nicht ein passives Ver-halten des Implantats, sondernspezifische biologische Funktio-nen und Reaktionen im und mitdem menschlichen Organismuserwartet.

Im Rahmen von Verträglich-keitsprüfungen werden Biomate-rialien in Laborversuchen außer-halb des menschlichen Körpersuntersucht, um die Reaktionenauf das menschliche Gewebe, dieHaut, das Blut oder das Erbgutzu simulieren. Anhand dieser Er-gebnisse kann die Eignung einesMedizinproduktes bereits vordem klinischen Einsatz überprüftwerden. Nicht geeignete Bioma-terialien können für eine Ver-wendung in Medizinproduktenfrühzeitig im Vorfeld ausge-schlossen werden. BMP ist einesder wenigen akkreditierten Prüf-

laboratorien in Deutschland undEuropa für die biologischen Ver-träglichkeitsprüfungen von Bio-materialien und Medizinproduk-ten.

Welche Prüfungen für einMedizinprodukt erforderlichsind, hängt von der Art des Pro-dukts, von Kontaktart und Kon-taktdauer mit dem menschlichenKörper ab. Wundverbände, OP-Auflagen und Heftpflaster wer-den anderen Prüfungen unterzo-gen als Herzklappen und Hüft-prothesen. Dabei müssen lang-fristig eingesetzte Medizinpro-dukte wie Herzklappen höherenSicherheitsanforderungen genü-gen als kurzfristig eingesetzte(zum Beispiel Bandagen odermedizinische Handschuhe). Inden Abbildungen sind Beispielefür biokompatible und bioinkom-patible Materialien und Medizin-produkte als Ergebnisse solcherVerträglichkeitsprüfungen zu se-hen.

Begonnen wird mit In-vitro-Prüfungen von Zell- und Blutver-träglichkeit, um anhand der Er-

gebnisse toxische Materialienausschließen zu können. Damitlassen sich Tierversuche und kli-nische Studien eindeutig mini-mieren.

Diese und weitere Prüfungendienen nicht nur der Erlangungdes CE-Kennzeichens, sondernsie können bei der Erforschungneuer Materialien erste Anhalts-punkte über deren Verträglich-keit geben oder während derProduktion von Medizinproduk-ten als Chargenkontrollen die-nen. Bisher erfolgreich eingesetz-te Materialien lassen sich mitneuen Produkten vergleichen,um noch bessere Eigenschaftenherauszufinden. Mit Hilfe derHistopathologie können Ursa-chen für Komplikationen wie dievorzeitige Lockerung einer Hüft-prothese oder die Abstoßung ei-nes Brustimplantates aufgedecktwerden (Schadensanalyse vonImplantatversagern).

Mehrere Zwischenfälle mitTodesfolge haben in letzter Zeitfür Unruhe gesorgt. Hier sindstetige Überprüfungen von Bio-materialien über Medizinproduk-te bis hin zur Chargenkontrollenotwendig, um Langzeitschädenoder Todesfälle durch toxischeoder verunreinigte Materialienzu vermeiden.

So können die Risiken für ei-ne Anwendung am Patienten mi-nimiert und damit die Sicherheiteines Produktes erhöht werden.Biologische Prüfungen helfen al-len: Sie tragen durch eine Ver-besserung der Medizinproduktezum Wohle des Patienten bei.

Autoren:

Dr. med. Rolf Dario Frank istWissenschaftlicher Mitarbeiterder Medizinischen Klinik II.PD Dr. med. Bernd Klosterhalfenist Wissenschaftlicher Mitarbeiterim Institut für Pathologie.Dr.-Ing. Ute Müller ist Ge-schäftsführerin der BMP Laborfür medizinische MaterialprüfungGmbH.Dr. med. Christopher Niedhart istArzt in der Klinik für Orthopädie.

Stentmaterial mit deutlichenAblagerungen und Fibrinnetz-bildung.

Bild 2: Nicht blutverträ gliches

63

autäquivalente könnenfür verschiedene Zweckehergestellt werden: Zur

Deckung von Hautwunden, fürdermatotoxikologische oder der-matopharmakologische Untersu-chungen unter Vermeidung vonTierexperimenten, zur Entwick-lung neuer Kosmetika aber auchvieler wichtiger Pharmaka.

Zur Deckung von Hautwun-den werden autologe, also pati-enteneigene, Zellen verwendet.Man entnimmt dem Patientenein wenige Millimeter großesHautstück, isoliert daraus die Zel-len der Ober- und der Leder-haut, also die Keratinozyten unddie Fibroblasten. Nachdem dieseZellen in entsprechender Nähr-flüssigkeit vermehrt wurden,werden die Fibroblasten mit Kol-lagen zu einer gelartigen Strukturgegossen. Auf diese „dermalenÄquivalente” werden die Kerati-nozyten ausgesät. Nach einigerZeit bilden diese Zellen auf demGel eine mehrschichtige Ober-haut und das gesamte „autologeVollhautäquivalent” – mit Ober-haut und Lederhaut – kann dannauf den Patienten transplantiertwerden. Da die Zellen vom Pati-enten selbst stammen, wird dasTransplantat nicht abgestoßen.

Haarfollikel spielen bei eineranderen, besonders einfachenMethode zur Gewinnung vonOberhautzellen eine Hauptrolle.Nach Auszupfen von Haarenwerden Haarwurzelstücke, beidenen die Wurzelspitze entferntwurde, mit der wichtigen äuße-ren Wurzelscheide (ORS), in dieOberfläche der oben beschriebe-nen Gele implantiert. Von dortaus besiedeln auswachsendeORS-Zellen (das sind die Stamm-zellen der Haut) die Oberflächeund bilden eine mehrschichtigeOberhaut. Wird diese Vollhautä-quivalente innerhalb der Nährlö-sung an die Grenze zwischenFlüssigkeit und Luft angehoben,so verhornen die oberen Schich-ten ähnlich wie bei der menschli-chen Haut. Nach zwei bis dreiWochen können die Transplan-tate auf die Wundoberfläche ge-bracht werden, wo sie mit einemVerband fixiert werden.

Durch die Transplantationvon Vollhautäquivalenten erhältman ein schöneres kosmetischesErgebnis als durch Oberhaut-transplantate. Das Vollhauttrans-plantat wird nicht genäht, son-dern klebt selbst auf der Wunde,was ein weiterer Vorteil der Me-thode ist. In weiteren Studienwird versucht, auch andere Ge-webe der Haut wie Gefäße oderzu Immunreaktionen befähigteZellen, in diesen Vollhautersatzeinzubringen.

Vollhautäqivalente werdenauch für dermatopharmakologi-sche oder -toxikologische Unter-suchungen verwendet. Dazukann man die zu untersuchendeSubstanz auf die Oberfläche auf-bringen, um eine äußerliche An-wendung zu simulieren, oderman gibt die Substanz in dasNährmedium, um eine innerlicheAnwendung zu simulieren. DieseVollhautäquivalente sind dermenschlichen Situation wesent-lich näher und daher besser ge-eignet als Tiermodelle, da diehier verwendeten menschlichenZellen die Eigenschaften unsererHaut besser repräsentieren. Da-durch trägt diese Technik auchwesentlich zu einer Reduktionvon Tierversuchen bei.

Autoren:

Dr. med. Daniela Höller ist zur-zeit am Brigham Women’s Hos-pital der Harvard Medical School,Boston.Dr. rer.med. Frank K. Jugert istWissenschaftlicher Mitarbeiter inder Klinik für Dermatologie undAllergologie.Yvonne Marquardt ist MTA imLabor der Klinik für Dermatolo-gie und Allergologie.Univ.-Prof. Dr. med. Hans F.Merk ist Direktor der Klinik fürDermatologie und Allergologie.

Daniela Höller, Frank K. Jugert, Yvonne Marquardt, Hans F. Merk

Körpereigene Alternativenzur HauttransplantationPatienteneigene Zellen werden als Hautersatz gezüchtet

H

64

ährlich ist bei cirka hundertKindern in Deutschland dieoperative Korrektur angebo-

rener Herzklappenfehler not-wendig. Der Einsatz konventio-neller Herzklappenprothesen istjedoch im Kindesalter stark limi-tiert. Zum einen ist eine Blutver-dünnung bei Kindern mit erheb-lich höheren Risiken verbunden(ein Kopfball oder Fahrradsturzkann bereits lebensbedrohlicheBlutungen auslösen) und zumanderen wachsen diese Prothe-sen nicht mit. Dies kann somit zudrei bis vier Wiederholungsope-rationen bis zum Erreichen desErwachsenenalters führen.

Seit 1998 besteht an der Kli-nik für Thorax-, Herz- und Ge-fäßchirurgie die Arbeitsgruppe„Cardiovasculäres Tissue Engi-neering“, die sich die Entwick-lung einer körpereigenen Herz-klappe zur Aufgabe gemachthat. Das Prinzip des Tissue Engi-neerings basiert auf der Idee,körpereigene Zellen dem Patien-ten zu entnehmen und anschlie-ßend im „Reagenzglas“ zu ver-mehren. Aus diesen Zellen undmit Hilfe einer zusätzlichenStützstruktur wird dann ein neu-es körpereigenes Gewebe ge-züchtet und kann nach einerweiteren Kultivierung im so ge-nannten Bioreaktor dem Patien-ten wieder zurückimplantiertwerden.

Als Stützstruktur wurde inAachen eine Gelmatrix aus demBlut des Patienten isoliert und fürein optimales Gewebewachstummodifiziert. Mit Hilfe einer neuentwickelten Spritzgusstechnikkonnte so in ersten Möglichkeits-studien eine vollständig körperei-gene Herzklappe gezüchtet wer-den.

Nach einem ähnlichen Prinzipwurden ebenfalls Gefäßprothe-sen für den Einsatz in der Bypass-chirurgie entwickelt. Um denHerstellungsprozess einer sol-chen Prothese zu beschleunigen,wird in die Gefäßwand einehochporöse Stützstruktur inte-griert. Durch die Verwendungverschiedener Fadentypen undHerstellungsverfahren wurde inzweijähriger Forschungsarbeitdiese Stützstruktur für den Ein-satz bei der Prothesenherstellungoptimiert.

Die Integration dieser Stütz-strukturen ermöglichte eine Ver-kürzung des Herstellungsprozes-ses von sechs auf zwei Wochen.

Warum eine Kultivierung imBioreaktor? Wie das Bein im Gips dünnerwird, so würden neu gezüchteteGewebe keine ausreichende Fes-tigkeit erreichen. Der Bioreaktorversucht das Gewebe durchlangsame Steigerung der Belas-tung an die späteren Bedingun-gen im Körper zu gewöhnen,ähnlich dem Aufbautrainingnach einem Knochenbruch.

In Zusammenarbeit mit demInstitut für Physiologie und demHelmholtz-Institut für Biomedizi-nische Technik wurden verschie-dene Bioreaktorsysteme entwi-ckelt und in den wissenschaftli-chen Werkstätten des Universi-tätsklinikums realisiert.

Ein weiterer wesentlicher As-pekt ist die Analyse der Gewebenach und während der Herstel-lung sowie nach der Implantati-on. Das Institut für Pathologiestellt hierbei einen wesentlichenKooperationspartner in der Wei-terentwicklung der neusyntheti-sierten Strukturen dar.

Darüber hinaus wurden inZusammenarbeit mit dem II. Phy-sikalischen Institut der RWTHAachen Untersuchungen zurdreidimensionalen Zellverteilungund Gewebeentwicklung tissueengineerter Gefäßprothesen ander European Synchrotron Rese-arch Facility (ESRF) in Grenobleunternommen. Mit Hilfe harterRöntgenstrahlung werden ähn-lich dem CT (Computertomo-gramm) in der Medizin Schicht-aufnahmen mit extrem hoherAuflösung (< 0,001 mm) aufge-nommen und anschließend inaufwendigen Rechenprozessendreidimensional rekonstruiert.

„Am Puls der Zeit“ – Trotzder ermutigenden Erfolge stecktdie Forschung im Bereich descardiovasculären Tissue Enginee-rings noch in den Kinderschuhenund der Weg bis hin zum routi-nemäßigen Einsatz ist noch weit.Jedoch kann dieses Ziel durch eine intensive interdisziplinäreZusammenarbeit, wie sie an derRWTH Aachen in einzigartigerWeise möglich ist, in Zukunft sicherlich erreicht werden.

Autoren:

Univ.-Prof. Dr. med. RüdigerAutschbach ist Direktor der Klinikfür Thorax-, Herz- und Gefäßchi-rurgie.Dipl.-Ing. Erik Berndt ist Grup-pensprecher Medizintextilien imInstitut für Textiltechnik.Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt.Ing. Thomas Gries ist Inhaber desLehrstuhls für Textilmaschinen-bau und Direktor des Instituts fürTextiltechnik.Dr. med. Stefan Jockenhövel istLeiter der Forschungsgruppe„Cardiovasculäres Tissue Engi-neering“ der Klinik für Thorax-,Herz- und Gefäßchirurgie unddes IZKF „BIOMAT.“.Univ.-Prof. Dr. rer.nat. BrunoLengeler ist Inhaber des Lehr-stuhls für Experimentalphysik II Bund Direktor des II. Physika-lischen Instituts.Dr. rer.nat. Christian Schroer istWissenschaftlicher Mitarbeiterim II. Physikalischen Institut.

Rüdiger Autschbach, Erik Berndt, Thomas Gries, Stefan Jockenhövel, Bruno Lengeler, Christian Schroer

„Am Puls der Zeit“Neue Techniken zur Synthesekörpereigener Herzklappen- und Gefäßprothesen

J

Bild 1: Bioreaktor zur Kultivie-rung von Herzklappensegeln imzweidimensionalen Scherfeld. Foto: Peter Winandy

66

efekte peripherer Nerventreten häufig als Folge vonVerletzungen oder Tumo-

roperationen auf und führen zuLähmungen oder Gefühlsausfäl-len, was zu unterschiedlichenGraden der Invalidität führt. Dieplastische Chirurgie bietet diffe-renzierte Behandlungskonzepte,in deren Mittelpunkt die Nerven-transplantation steht. Nervende-fekte werden durch Interponatevon Hautnerven, wie etwa demNervus suralis, mikrochirurgischüberbrückt, was in den meistenFällen zu einer Wiederherstel-lung nützlicher Funktionen führt.Die Nerventransplantate dienenals Leitschiene für die regenerie-renden Axone, die den Defektüberbrücken und eine Verbin-dung mit den Zielorganen (Mus-keln oder sensible Endorgane)wiederherstellen können. Aller-dings sind Nerventransplantatenur begrenzt verfügbar, so dassbei ausgedehnten Defekten kei-ne ausreichende Rekonstruktionvorgenommen werden kann.Weil eine Fremdnerventrans-plantation wegen der Absto-ßungsreaktion oder der mit einerimmunsuppressiven Therapieverbundenen Risiken nicht inFrage kommt, wird in unsererArbeitsgruppe die Möglichkeitder Verwendung künstlicher In-terponate untersucht.

Die grundlegende Idee beimTissue Engineering ist, vom Emp-fänger stammende Zellen in vitrozu expandieren und dann thera-peutisch einzusetzen. EinfacheModelle beschäftigen sich mitder Verbindung von Zellen miteiner Trägermatrix. Die Zellenwerden nach der Transplantationdurch Diffusion ernährt, die Mat-rix wird im Organismus abge-baut und durch körpereigeneStrukturen ersetzt. Einfache Kon-strukte, bestehend aus einigenZelllagen und einer Trägermatrix,werden als Hautersatz in derVerbrennungschirurgie einge-setzt.

Für die Überbrückung peri-pherer Nervendefekte wurdenschon künstliche Interponateverwendet, bevor die Technikender Nerventransplantation eta-bliert waren. Es gibt eine Vielzahlvon Forschungsansätzen, die sichmit der Defektüberbrückungdurch Leitschienen (Conduits)beschäftigen, die Mehrzahl derAutoren arbeitet mit einfachen,azellulären Röhrenstrukturen.

Die Untersuchungen unsererArbeitsgruppe konzentrieren sichauf zwei Ziele:

Konstruktion einer dreidimen-sionalen Matrix, die der tubulä-ren Architektur peripherer Ner-ven ähnelt

In-vitro- und In-vivo-Testungneuer resorbierbarer Polymere

Diese Polymere werden mitSchwannschen Zellen besiedelt,die für die Regeneration einesperipheren Nerven zentrale Be-deutung besitzen.

Gegenwärtig werden Kolla-gen und ein Multiblock-Copoly-mer untersucht. Kollagen steht inForm einer Schwammstruktur alsdreidimensionale Matrix mit paralleler tubulärer Architekturzur Verfügung, die Multiblock-Copolymere als Folien mit unter-schiedlich strukturierter Oberflä-che. Die Kollagenmatrix wird vonder Aachener Firma Matricel her-gestellt. Die homogene, parallelePorenstruktur wird durch dieTechnik der gerichteten Erstar-rung (Bridgman-Verfahren undPower-Down-Verfahren) er-reicht. Die Porengröße kanndurch Variierung der Konzentra-tion von Essigsäure in der Kolla-gensuspension in einem Bereichvon 35 bis 50 µm variiert wer-den.

Multiblock Copolymere wurden im Deutschen Wollfor-schungsinstitut der RWTH

Aachen entwickelt und werdendurch die Aachener Firma Mne-moscience hergestellt. Sie wer-den durch Polykondensation un-terschiedlicher Makrodiole syn-thetisiert und bestehen aus kris-tallisierbaren Diolen (Hartseg-mente), die die Festigkeit desMaterials bestimmen und ausnicht kristallisierbaren amorphenDiolen (Weichsegmente), die dieElastizität des Materials determi-nieren. Die Geschwindigkeit desAbbaues durch Hydrolyse ist va-riabel.

Zellkulturversuche mit beidenMaterialien zeigen, dassSchwannsche Zellen in vitro an-heften und konfluieren. Eine rau-he Oberfläche, verhindert dabeidie parallele Ausrichtung derSchwannschen Zellen, sehr feineparallele Strukturen begünstigendies. Weil beide Materialiendurch Hydrolyse abgebaut wer-den, kommt es bei der In-vitro-Untersuchung unter Zellkultur-bedingungen zu einem Abbaudes Materials, mittelfristig (län-ger als sechs Wochen) führt dieszu einer Ablösung bereits eta-blierter Zellverbände.

In-vivo-Regenerationsversu-che an Ratten zeigen, dass dieSchwannschen Zellen in Verbin-

dung mit der Kollagenmatrix zueiner Verbesserung des Ergebnis-ses beitragen. Allerdings wird beidem bisher zur Verfügung ste-henden Material eine ausgepräg-te Fremdkörperreaktion be-obachtet. Mögliche Ursachensind in der hohen Abbauge-schwindigkeit zu suchen, was zueiner großen Menge von Abbau-produkten führt. Prinzipiell kannaber bereits gezeigt werden, dassdas Konzept der Verbindung vi-taler Zellen mit resorbierbarenMaterialien auch auf die Rekon-struktion peripherer Nervende-fekte anwendbar ist. Verbesse-rungen sind in Bezug auf das Re-sorptionsverhalten und derOberflächeneigenschaften zu er-warten. Die Bereitstellung einergenügend großen AnzahlSchwannscher Zellen ist ein wei-teres Problem, wenn an die klini-sche Umsetzung gedacht wird.Weil Schwannsche Zellen schwerzu expandieren sind, wird manmöglicherweise auf adulteStammzellen zurückgreifen müs-sen, die in größerer Anzahl ver-fügbar und leichter expandierbarsind.

Ingo Heschel, Franz Lassner, Andreas Lendlein

Tissue Engineeringam peripheren Nervensystem

D

Bild 1: Profilometrische Aufnah-me der rauen Folien.

67

Autoren:

Ingo Heschel ist Mitarbeiter derFirma Matricel.Dr. med. Franz Lassner ist Ober-arzt in der Klinik für PlastischeChirurgie, Hand- und Verbren-nungschirurgie.Prof. Dr. sc.nat. Andreas Lend-lein war bis Ende Juni 2002 Leiterder Abteilung Biomaterialien amDeutschen Wollforschungsinsti-tut und ist jetzt Geschäftsführerder Firma Mnemo Science.

„Wir bauen auf und stellenwieder her und machenganze Teile ... die die Naturgegeben und das Schicksalweggenommen hat...”Gaspare Tagliacozzi(1545-1599)De Curtorum Chirurgia

ine große Herausforderungin der Plastischen Chirurgiestellt der Ersatz einer ampu-

tierten Brust nach einer Krebs-operation dar. Heute wird eineverlorene Brust entweder durchlange mikrochirurgische Opera-tionen durch eigenes Körperge-webe der Patientin oder einfa-cher durch künstliche Silikonim-plantate rekonstruiert. Der Wie-deraufbau der Brust durch ge-züchtete eigene Zellen und spe-zielle Trägermaterialien (TissueEngineering) ist das oberste Ziel,da so aus einer kleinen Gewebs-probe der Patientin ein voraus-bestimmbares Ergebnis erzieltwerden könnte.

Neben dem Verlust der weib-lichen Brust durch eine Operati-on gibt es noch zahlreiche ande-re Substanzdefekte des mensch-lichen Körpers, beispielsweiseMuskel- und Fettgewebsverlustenach schweren Verletzungen.Defekte des menschlichenWeichgewebes bleiben zeitle-bens sichtbar, der menschlicheKörper kann diese Verluste nurunzureichend reparieren.

Bisher eingesetzte Materiali-en zur Korrektur haben die Er-wartungen enttäuscht. Syntheti-sche Materialien verursachen im-mer eine Fremdkörperreaktion,sie können sich verhärten undverlagern. Biologische Materiali-en wie Kollagen schrumpfendurch Resorption, da das körper-eigene Abwehrsystem diese Ma-terialien als fremd erkennt undsie abbaut. Obwohl das obersteZiel der Plastischen Chirurgie dieRekonstruktion von Gleichemdurch Gleiches ist, können Ver-luste des Weichgewebes nichtproblemlos etwa durch Fettge-webe ersetzt werden. Die einfa-che Verpflanzung von Fettgewe-be führt zu schlechten und un-vorhersagbaren Ergebnissen.

In unseren Versuchsreihenkonnte erstmals erfolgreich un-reifes Fettgewebe außerhalb desKörpers gezüchtet werden. Nachder Implantation dieses kultivier-ten „Organs” kam es zum Ein-heilen der Implantate mit An-schluss an das Blutgefäßsystemund zur Ausreifung zu reifemFettgewebe. Diese Schritte stel-len wichtige Meilensteine aufdem Weg zum klinisch einsetz-baren Weichgewebsimplantatdar.

Körpereigene Fettzellen einesPatienten sollten mit Hilfe einesneuen Zellkulturverfahrens ver-mehrt und anschließend nachspezieller Aufbereitung und Be-siedlung spezieller Träger wiederin den Patienten implantiert wer-den. Da sich die fetthaltigen Zel-len beim Erwachsenen allerdingsnicht mehr teilen und vermehrenkönnen, wurde auf die Fettge-websvorläuferzellen, die Präadi-pozyten, zurückgegriffen. DieseVorläufer, gewebsständigeStammzellen, sind eine „stille Re-serve” und liegen im Zwischen-gewebe des Fettgewebes. DiePräadipozyten sind dafür verant-wortlich, dass auch beim Er-wachsenen bei übermäßigerNahrungszufuhr die Anzahl derFettzellen zunimmt. In Versuchs-reihen wurde zunächst die Isolie-rung von Fettgewebsvorläufer-zellen aus menschlichem Fettge-webe und deren Kultivierung op-timiert. In den nachfolgendenUntersuchungen wurden die In-vitro-Eigenschaften dieser Zellenauf verschiedenen Biomaterialienund anschließend das In-vivo-Verhalten nach der Transplanta-tion untersucht.

Die Vorversuche deckten auf,dass durch Aspiration (Absau-gen) entnommenes Fettgewebefür die Isolierung von Präadipo-zyten besonders gut geeignet ist.Im Vergleich zu Fettgewebe, dasmittels Skalpell herausgeschnit-ten wurde, konnte eine signifi-kant höhere Zahl von Vorläufer-zellen aus abgesaugtem Fettge-webe isoliert werden. Für eineeffektive Isolierung von Fettge-websvorläuferzellen wurde dieenzymatische Zerteilung mittelsdem Enzym Kollagenase mit ei-ner Konzentration von 0.2 Pro-zent bei einer Einwirkzeit von 45Minuten ermittelt. Durchschnitt-lich wurden mit dieser Methode288.000 kulturfähige Stromazel-len pro Gramm abgesaugtemFettgewebe isoliert.

Die Unterscheidung vonFettgewebsvorläuferzellen vonanderen Zellen des Bindegewe-bes gelang bislang nicht sicher.In den durchgeführten Studienwurden nun menschliche Präadi-pozyten mittels Antikörper ge-gen ein zelluläres Protein, dasAdipophilin, von anderen Zellenabgegrenzt. Weder Fibroblasten,noch Endothelzellen desselbenFettgewebes exprimierten Adi-pophilin.

Dennis von Heimburg, Norbert Pallua

Brustrekonstruktion aus der ZellkulturDer Einsatz von gewebetechnologisch hergestelltem Fettgewebezum Ersatz von Weichgewebsdefekten

E

68

Die Untersuchung der ver-schiedenen Kulturbedingungenergab, dass Präadipozyten nur ineinem speziellem Medium auchnach vielen Zellteilungen nochdie Fähigkeit zur Differenzierungbesaßen; also Fett einzulagernund reife Fettzellen auszubilden.Der Zusatz des basischen Fibro-blastenwachstumsfaktors erhöh-te signifikant die Teilungsrateund die Differenzierungsrate ver-glichen mit dem Medium ohneWachstumsfaktorzusatz.

Bei Sauerstoffverbrauchs-messungen wurde festgestellt,dass nichtfettspeichernde Präadi-pozyten einen signifikant redu-zierten Sauerstoffverbrauch ge-genüber den fettspeicherndenFettgewebsvorläuferzellen auf-weisen. Diese Beobachtung un-terstützt die Hypothese, dass un-reife Fettgewebsvorläuferzelleneine Transplantation besserüberstehen und daher für denErsatz von Defekten besser ge-eignet sind als reife Fettzellen.

In den Hauptversuchen solltedas Verhalten der gezüchtetenZellen an Trägermaterialien undnach einer Verpflanzung unter-sucht werden. Das Wachstumder Präadipozyten war am bes-ten auf Schwämmchen aus ver-esterter Hyaluronsäure. Die Zell-zahl war auf diesen Trägern nach14 und 21 Tagen signifikant hö-her als der Ausgangswert undauch höher als auf den anderenTrägermaterialien aus Kollagen.

Die Implantation im Maus-modell ergab einen Nachweisreifen Fettgewebes nach dreiund nach acht Wochen in allenTrägern, die zuvor mit menschli-chen Präadipozyten besiedeltwurden. In keiner der Kontroll-gruppen wurde Fettgewebe ge-funden. Die Gewebsformation inden veresterten Hyaluronsäure-Schwämmen ging einher mit ei-nem zum Ausgangsgewicht undzur Kontrolle signifikant höherenGewicht. Die Eindringtiefe vonPräadipozyten nahm in denHyaluronsäure-Schwämmen vonder dritten zur achten Woche zuund lag damit signifikant überden Werten für Kollagen-schwämme. Differenziertes zu-sammenhängendes Fettgewebewurde mit der höchsten Ein-dringtiefe ebenfalls in den veres-terten Hyaluronsäure-Schwäm-men beobachtet.

Alle Präadipozytentransplan-tate zeigten zudem eine reicheGefäßversorgung, während vieleKontrollen keine Blutgefäße auf-wiesen. Die stärkere Durchblu-tung ging mit einer erhöhten Ex-pression von Kollagen in denTransplantaten einher. In denelektronenmikroskopischen Stu-dien wurden in den Präadipozy-ten alle Zeichen der Fettspeiche-rung, der adipogenen Konversi-on, beobachtet. Während in denengen Poren der Träger die Zel-len aufgrund ausgeprägter Engeim Zustand des unreifen, fettar-men Präadipozyten verblieben,zeigte sich eine Differenzierungder Fettzellen in den großen Po-ren der Hyaluronsäure-Schwäm-me.

Die vorgestellte Versuchsrei-he stellt erstmals die erfolgreicheKultivierung humaner Fettge-websvorläuferzellen auf abbau-baren Trägern und ihre Entwick-lung zu differenziertem, reifemFettgewebe nach der Transplan-tation vor. Die gewebetechnolo-gische Herstellung von Fettge-webe auf der Basis kultivierterhumaner Präadipozyten zur Re-konstruktion von Weichgewebs-defekten ist daher möglich undvielversprechend. Über die Dau-erhaftigkeit des Weichgewebser-satzes und die klinischen Einsatz-möglichkeiten werden kontrol-lierte Studien in den nächstenJahren Aufschluss geben.

Autoren:

PD Dr. med. Dennis von Heim-burg ist Oberarzt in der Klinik fürPlastische Chirurgie, Hand- undVerbrennungschirurgie.Univ.-Prof. Dr. med. Dr. univ.med. Norbert Pallua ist Direktorder Klinik für Plastische Chirur-gie, Hand- und Verbrennungs-chirurgie.

69

Sortierung von drei humanenZellpopulationen an einemdigitalen Highspeed-Zellsorter.Foto: Peter Winandy

70

ie Bezeichnung Krebssteht für eine große Grup-pe ganz unterschiedlicher

Erkrankungen, die eines gemein-sam haben: Die unkontrollierteTeilung von Zellen. Derartig ent-artete Zellen wachsen in umlie-gendes Gewebe ein und zerstö-ren es, sie können aber auch inBlutbahnen und Lymphgefäßeeindringen und somit in andereOrgane gelangen (Metastasen-bildung).

Im Jahr 1998 erkrankten inDeutschland rund 347.000 Men-schen an Krebs, etwa 212.000erlagen ihrem Leiden. Bei Män-nern führt erstmalig eine krebs-artige Erkrankung der Prostata(Prostatakarzinom) die Liste derNeuerkrankungen an, Lungen-krebs ist an die zweite Stelle ge-rückt. Bei Frauen ist es nach wievor der Brustkrebs (Mammakar-zinom), der am häufigsten auf-tritt. Lungenkrebs steht bei Frau-en zwar erst an sechster Stelle,doch die Zahl der jährlichen Neu-erkrankungen steigt kontinuier-lich an.

Klassische bildgebende Ver-fahren wie Röntgen, Sono- undSzintigraphie haben seit Jahrenihren festen Platz in der Tumor-diagnostik. Aber selbst moderneVerfahren wie die Computer-oder Kernspintomographie kön-nen einzelne Krebszellen oderMetastasen nicht immer frühzei-tig genug ausfindig machen oderklar als Tumorerkrankung identi-fizieren. Hier setzt unser Konzeptan: Auf der Außenhülle derKrebszellen befinden sich Struk-turen (Tumormarker), die selek-tiv von spezifischen Bindern, denAntikörpern, erkannt werdenkönnen. Antikörper werden na-türlicherweise im Körper von densogenannten B-Lymphozytengebildet, können jedes fremdeMolekül erkennen und werdenzur Abwehr von Eindringlingenwie Parasiten, Bakterien oder Viren eingesetzt. Die von einerZelle produzierten Antikörper(monoklonale Antikörper) bin-den spezifisch an Oberflächen-strukturen und zeigen keine oderkaum Reaktionen mit anderenStrukturen. Antikörper mit tumorspezifischer Bindungsakti-vität zeigen beim diagnostischenoder therapeutischen In-vivo-Einsatz geringere Nebenwirkun-gen als die ungerichtete Chemo-oder Strahlentherapie. Radioak-tiv markierte Antikörper könnensich im Tumorgewebe anreichern

und dort anhand ihrer Strahlungerfasst werden (Immunscintigra-phie). Ein dringlich erwünschtesZiel der Medizin ist es, mit einerfür den Patienten möglichstschonenden Untersuchung eineKrebserkrankung nachzuweisen,frühzeitig zu diagnostizieren, zulokalisieren und schließlich auchbehandeln zu können. Darüberhinaus sind Antikörper der

schnellste Weg, um Vorteile ausden durch die Genomics undProteomics identifizierten poten-ziellen Zielstrukturen für die Di-agnose und Therapie von Erkran-kungen Nutzen zu ziehen.

Diese neuen tumorspezifi-schen Therapieformen werdenunter dem Oberbegriff Immun-therapie zusammengefasst. Ob-wohl sie eine vergleichsweise

junge Disziplin ist, könnte daswachsende Wissen über diekomplexen Wechselwirkungenzwischen Tumoren und der kör-pereigenen Immunabwehr kom-biniert mit den modernen Tech-niken der Molekularbiologie zurEntwicklung neuer und wir-kungsvoller Strategien und Be-handlungskonzepte führen. Letz-tere sollen zunächst zur Zerstö-

Stefan Barth, Ricarda Finnern, Rainer Fischer, Stefan Hellwig, Dirk Prüfer

Entwicklung neuer ArzneimittelRekombinante Antikörper zur Detektion und Therapie von Tumoren

D

71

Bild 1: Zweidimensionale silber-

Elektrophorese. Sichtkontrollezur Spoterkennung der auf Rah-men getrockneten Gele. Foto: Peter Winandy

rung von Tumorresten nach ei-ner Operation oder einer Strah-lentherapie sowie zur Diagnoseund zum Auffinden von Metas-tasen eingesetzt werden. Diesinnvolle Kombination verschie-dener Immuntherapien oder vonImmun-, Strahlen- und Chemo-therapie führt dann möglicher-weise zu einer gravierenden Ver-besserung in der Krebstherapie.

Mit wachsendem Wissenüber die Wirkungsmechanismenvon Antikörpern und durch diemodernen Verfahren der Gen-technologie können Antikörperzunehmend an die Anforderun-gen diagnostischer und thera-peutischer Verfahren angepasstwerden. So lassen sich humani-sierte Versionen der bisher ge-bräuchlichen Mausantikörper

herstellen, um eine Immunreakti-on gegen die Mausproteine zureduzieren oder zu vermeiden.Auch kann man deutlich kleine-re, auf wesentliche Teile des Mo-leküls reduzierte Antikörper kon-struieren, die leichter in das Tu-morgewebe eindringen. Eineweitere Strategie ist die Herstel-lung von Antikörpern, die zweiMerkmale auf zwei verschiede-nen Zellen (eines auf der Tumor-zelle, eines auf einer Immunzelle)zugleich erkennen und sich da-ran festheften können. Solche bi-spezifischen Antikörper sollenImmunzellen gezielt an Tumor-zellen heranführen. Mit diesenneuen Techniken und der An-wendung der Antikörpertherapienicht zur Bekämpfung großerTumoren, sondern in solchen Si-tuationen, in denen möglichstwenige Krebszellen im Körpersind, werden sich in Zukunfteventuell weitere erfolgverspre-chende Einsatzmöglichkeiten er-geben. Durch eine enge Zusam-menarbeit mit Kliniken könnenunsere Produkte ständig am Pati-enten überprüft werden. Damiterhalten die Produkte eine großeAkzeptanz in der Öffentlichkeitund bei der Pharmaindustrie.

Dass bis heute keine huma-nen Antikörper auf dem Marktsind, liegt an den technologi-schen Schwierigkeiten, diese zuentwickeln und zu produzieren.Monoklonale Antikörper aus im-munisierten Mäusen waren bis-her sehr teuer in der Herstellungund konnten häufig nur schlechtwiederholt appliziert werden, daeine Immunreaktion (humaneanti-Maus-Antikörper, HAMA)gegen diese Fremdproteine zueiner Neutralisierung der Medi-kamente führen können. Erst inden letzten zehn Jahren, durchdie molekularbiologische Ent-wicklung der Phage-Display-Technologie und der „humanenMaus”, ist es möglich, humaneAntikörper und -fragmente her-zustellen. Ein weiteres Problem,und dies betrifft nicht nur dieAntikörper, ist die kostengünsti-ge Produktion von Pharmazeuti-ka unter „good manufacturingprocedures” (GMP)-Bedingun-gen zur Durchführung klinischerStudien und um wettbewerbsfä-hige Produkte auf den Markt zubringen. Auch hier sehen wir füruns einen Vorsprung gegenüberanderen Institutionen und Fir-men. Das Know-how und dietechnischen Möglichkeiten sind

gefä rbte Proteingele nach der

72

an der RWTH und dem Fraunho-fer-Institut für Molekularbiologieund Angewandte Oekologie(IME) vereinigt.

Der mit Abstand wichtigsteMarkt für Anwendungen derBiotechnologie liegt nach wie vorim Gesundheitssektor, also in derEntwicklung und Produktion vonDiagnostika und Therapeutika.Schon heute wird mit gentech-nisch produzierten Wirkstoffenwie Insulin, Wachstumshormo-nen und Gerinnungsfaktoren einwachsender Anteil am Pharma-markt erzielt. Mittlerweile sind inDeutschland viele gentechnischhergestellte Arzneimittel zugelas-sen. Darunter auch Impfstoffegegen Hepatitis B und Keuch-husten. Gerade in der Arzneimit-telforschung eröffnen neue in-terdisziplinäre Methoden bisherungeahnte Möglichkeiten.

Autoren:

PD Dr. rer.nat. Stefan Barth istAbteilungsleiter PharmazeutischeProduktentwicklung im Fraunho-fer IME (Institut für MolekulareBiologie und Angewandte Oeko-logie).Dr. rer.nat. Ricarda Finnern istAbteilungsleiterin Pharmazeuti-sche Produktentwicklung imFraunhofer IME.Univ.-Prof. Dr. rer.nat. Rainer Fischer ist Inhaber des LehrstuhlsMolekulare Biotechnologie (Insti-tut für Biologie VII) und Leiterdes Fraunhofer IME. Dr. rer.nat. Stefan Hellwig istLeiter der Fermentationseinheitim Fraunhofer IME.Dr. rer.nat Dirk Prüfer ist Leiterder Abteilung Angewandte Ge-nom- und Proteomforschung desFraunhofer IME.

Möglichkeiten zur Produktion,die sich zudem fast beliebig„vergrößern” lassen: Den Anbauim Gewächshaus oder auf demFeld sowie die Kultivierung vonPflanzensuspensionskulturen inBioreaktoren unter Einhaltungstrenger produktions- und pro-zesstechnischer Richtlinien.

Das Spektrum der am Institutfür Biologie VII (Molekulare Bio-technologie) in Zusammenarbeitmit dem Fraunhofer-Institut fürMolekulare Biologie und Ange-wandte Oekologie (IME) intransgenen Pflanzen produzier-ten pharmazeutischen Proteinereicht von neutralisierenden An-tikörpern als potenzielle essbareImpfstoffe gegen Rotaviren übertherapeutische und diagnosti-sche Antikörper für die Tumor-behandlung bis hin zum huma-nen Serumalbumin zur Verwen-dung als Blutersatzstoff. Darüberhinaus werden für Menschenvöllig harmlose Pflanzenviren zurPräsentation von fremden Anti-genen umfunktioniert, um sie alsalternative Impfstofflieferantenzu verwenden.

PflanzentransformationssystemeZur Produktion rekombinanterPharmazeutika muss zunächstdas Fremdgen in einen Pflanzen-Transformationsvektor übertra-gen werden. Zwei gebräuchlicheund sehr effektive Transformati-onsmethoden stehen zurzeit fürdie Herstellung transgener Pflan-zen zur Verfügung. Die erste be-nutzt Agrobakterien, welche na-türlicherweise die Fähigkeit be-sitzen, Teile ihres eigenen Erb-guts und darin gentechnisch ein-gebaute Fremdgene in Pflanzen-zellen einzuschleusen. Die zweiteverwendet DNA-beschichtete,beschleunigte Mikrometallparti-kel (Gold oder Wolfram) in dersogenannten „Partikelkanone”,um die fremde Erbinformation indie Pflanzenzelle einzubringenund nachfolgend in das Erbgutder Pflanze zu integrieren. Nacherfolgreicher Transformationschließt sich zur Selektion undRegeneration ganzer Pflanzenaus den transformierten Einzel-zellen eine umfangreiche Gewe-bekulturphase an.

Produktion rekombinanter Pro-teine in PflanzenzellkulturenNeben intakten Pflanzen, die imGewächshaus oder auf dem Feldwachsen, eignen sich auchpflanzliche Zellkulturen zur Pro-duktion rekombinanter Proteine.Die Kultivierung der Pflanzenzel-len erfolgt in Schüttelkulturenoder Bioreaktoren und verlangt

im Gegensatz zu tierischen Zell-kulturen keine besondere Aus-stattung oder teure Medienzu-sätze. Einige Pflanzenzellen wiezum Beispiel bestimmte schnellwachsende Tabakzellen benöti-gen kein Licht, so dass ohne gro-ßen Aufwand hohe Zelldichtenerreicht werden können, die eineoptimale Produktivität ermögli-chen.

Steigerung der Produktionsaus-beuten in PflanzenObwohl Proteine in Pflanzen inähnlicher Art und Weise wie inanderen eukaryotischen Zellenproduziert werden, ist eine spezi-elle Abstimmung der zellulärenMaschinerie der Pflanze notwen-dig, um signifikante Produktions-level zu erhalten. Zunächst benö-tigt man einen starken Promotor,der die Transkription und damitdie Expression in der Zelle voran-treibt. Viele pflanzenspezifischePromotoren sind bereits be-schrieben und nach weiteren vorallem auch pflanzeneigenen Pro-motoren wird am IME mittelshigh throughput screening (HTS)intensiv gesucht. Auch die Ver-besserung und Neuentwicklungviraler Expressionsvektoren wirddurch internationale Kooperatio-nen vorangetrieben. Ein weiteresZiel der institutseigenen For-schung ist es, die Produktion vonFremdproteinen in Pflanzen zuerhöhen, ohne diese gleichzeitigin ihrer Entwicklung negativ zubeeinflussen. Eine Möglichkeitdieses Problem zu vermeiden,bietet der Transport der rekom-binanten Proteine aus dem Cyto-plasma in andere Zellkomparti-mente. Auch die Verzögerungder Produktion mit Hilfe indu-zierbarer Promotoren zu einemspäteren Entwicklungsstadiumbis hin zum Zeitpunkt direktnach der Ernte stellt eine interes-sante Alternative dar, die in Zu-sammenarbeit mit dem Fraunho-fer IME eingehend untersuchtwird.

Ulrich Commandeur, Rainer Fischer, Stefan Schillberg

Molecular Farming: er Markt für pharmazeuti-sche Proteine wird aufüber 18 Milliarden US-

Dollar geschätzt mit rasch stei-gender Tendenz. Über ein Viertelaller auf dem Markt befindlichenArzneimittel wird heute bereitsmit Hilfe der Biotechnologie her-gestellt und die erhöhte Nachfra-ge wird zunehmend auch durchdie Produktion und Zulassung re-kombinanter, also gentechnischhergestellter Diagnostika undTherapeutika gedeckt.

Unter dem Begriff MolecularFarming versteht man den An-bau und die Prozessierung vongentechnisch veränderten Pflan-zen mit dem Ziel, kostengünstigund sicher Biopharmazeutika zuerzeugen. Nach diesem Verfah-ren werden Pflanzen als biologi-sche Fabriken genutzt, um phar-mazeutisch wirksame Substan-zen im größeren Maßstab herzu-stellen, die auf andere Art undWeise nur schwierig, riskobehaf-tet oder sehr teuer zu erzeugensind. Durch die Kombination vonPflanzengenetik und Molekular-biologie sind Wissenschaftler inder Lage, Gene von anderen Or-ganismen wie Säugetieren, Mik-roben oder Viren zu isolieren undin das Pflanzengenom zu inte-grieren. Auf diese Weise erhältman transgene Pflanzen, mit de-ren Hilfe rekombinante Eiweiß-stoffe (Proteine) sowie therapeu-tische und diagnostische Anti-körper, Impfstoffe, Blutersatz-stoffe und Enzyme in großenMengen kostengünstig gewon-nen werden können.

Das Molecular Farming ingentechnisch veränderten Pflan-zen bietet eine Alternative zukonventionellen, aber zum Teilaufwändigen und teuren Pro-duktionsverfahren. Dieses Pro-duktionssystem vereint entschei-dende Vorteile wie die korrekteFaltung der Proteine und dieVermeidung von Kontaminati-onsgefahren durch human-pa-thogene Viren, Prionen, bakteri-elle Endotoxine oder krebsauslö-sende Sequenzen. ManchePflanzen können darüber hinausdiese pharmazeutisch wirksamenSubstanzen in Form ihrer Früchteund auch ihrer Samen „steril ver-packen”. Derart abgelagert kön-nen sie über einen langen Zeit-raum konserviert und bei norma-ler Umgebungstemperatur trans-portiert werden. Außerdem bie-ten Pflanzen zwei verschiedene

D

Autoren:

Dr. rer.nat. Ulrich Commandeurist Leiter der Abteilung Moleku-lare Pflanzenvirologie im Institutfür Biologie VII (Molekulare Bio-technologie).Univ.-Prof. Dr. rer.nat. Rainer Fischer ist Inhaber des Lehrstuhlsfür Molekulare Biotechnologieund Leiter des Fraunhofer IME(Institut für Molekulare Biologieund Angewandte Oekologie).Dr. rer.nat. Stefan Schillberg istLeiter der Abteilung MolecularFarming im Fraunhofer IME.

genen Tabakpflanze vor derErnte. Foto: Peter Winandy

Produktion pharmazeutischer Proteine in Pflanzenheadline

Bild 1: Sichtprü fung einer trans-

74

16-fach-Parallel-Fermentations-anlage zur Optimierung derbakteriellen Produktionsraten,zum Beispiel von Enzymen,Proteinen oder Arzneimitteln. Foto: Peter Winandy

75

76

n der modernen Biotechnolo-gie versucht man genetischesMaterial immer effizienter und

schneller analysieren zu können.Dies soll die frühzeitige Erken-nung von genetischen Fehlernals Quelle von Krankheiten unddie gezielte Suche nach Wirk-stoffen für neue Medikamentebeschleunigen und vereinfachen.Auf längere Sicht könnte damiteine genetisch angepasste Medi-kation für jeden einzelnen Pati-enten oder gar die Reparatur vongenetischen Fehlern ermöglichtwerden. All diese Anwendungs-gebiete moderner Biotechnologiesind eng an die Entwicklung leis-tungsfähiger und flexibler Syste-me zur effizienten Analyse gene-tischen Materials gekoppelt. Ineinem interdisziplinären Projektder Fachbereiche Medizin undInformationstechnik entwickelnMitarbeiter am Institut für Halb-leitertechnik in enger Zusam-menarbeit mit Mitarbeitern desInstituts für Pathologie ein viel-versprechendes alternatives Ver-fahren, um Gene zu analysieren.

Traditionelle Analyseverfah-ren der genetischen Erbsubstanzhaben zwar einen hohen Gradan Komplexität und Funktionali-tät erreicht, dennoch basieren al-le üblichen genetischen Analyse-verfahren auf der Markierungvon Segmenten der Desoxyribo-nukleinsäure-Moleküle (DNS)mit Leuchtstoffmolekülen, umdie Identifizierung von Segmen-ten der DNS anhand der Anbin-dung an bekannte komplemen-täre DNS Moleküle über Lichtsig-nale detektieren zu können. Die-se Markierung mit Leuchtstoff-molekülen stellt nicht nur einenzusätzlichen unerwünschten Prä-parationsschritt dar, der analyti-sche Prozeduren erschwert. DieMarkierung kann auch eine Än-derung der Form der DNS Mole-küle verursachen, wodurch diePräzision von Genanalysen be-einträchtigt wird. Zusätzlich be-hindert die Markierung quantita-tive Analysen, die beispielsweisezur Auswertung von mit Krebs inVerbindung stehenden geneti-schen Veränderungen große Be-deutung haben.

In einem revolutionären An-satz wird am Institut für Halblei-tertechnik anhand von elektro-magnetischen Wellen von eini-gen Billionen Hertz (1012 Hz =1 Terahertz) ohne jede Markie-rung herausgefunden, ob DNS-Stränge an komplementäre Mo-leküle binden oder getrennt vor-liegen. Auf diese Weise könnensie identifiziert werden. Wie ersteExperimente gezeigt haben, istdie Absorption und die Brechzahlvon gebundenen DNS-Proben inder Tat deutlich größer als dievon nicht gebundenem Material(Martin Brucherseifer, et al., Ap-plied Physics Letters, Vol. 77, p.4049). Somit wurde die funda-mentale Basis einer markierungs-freien genetischen Analyse mitTerahertz Wellen geschaffen.

Mittlerweile ist ein hochsen-sitives integriertes Terahertz-Analysesystem entwickelt wor-den, welches eine drastische Er-höhung der analytischen Fähig-keiten der Messtechnik ermög-licht (Michael Nagel, et al., Ap-plied Physics Letters, Vol. 80, p. 154). Schon kleinste Mengenvon DNS Molekülen von weni-gen Femtomol (1 Femtomol =10-15 Mol) können zuverlässiganalysiert werden. Die Präzisiondes integrierten Systems ist mitt-lerweile so groß, dass selbst dieMutation einzelner Gendefektenachgewiesen werden kann.Dies wurde an dem so genann-ten HFE-Gen demonstriert, dasbei Patienten die an Hämochro-matose leiden, krankhaft verän-dert ist. Dabei handelt es sich umeine Stoffwechselerkrankung, diezu gefährlichen Eisenablagerun-gen in verschiedenen Organen,insbesondere der Leber, führt.

Das entwickelte Verfahren istim Rahmen der PatentinitiativeSAFE des Ministeriums für Schuleund Weiterbildung, Wissenschaftund Forschung des Landes NRWpatentiert worden. Die unter-suchte DNS wird jedoch nochauf das integrierte THz-Analyse-system per Hand getropft. Inweiteren Forschungs- und Ent-wicklungsarbeiten müssen zahl-reiche Systemoptimierungendurchgeführt und Integrations-fragen gelöst werden, um all-

chips” , die eine große Anzahlvon Genen gleichzeitig analysie-ren, am Markt etablieren zu kön-nen. Es muss deutlich unterstri-chen werden, dass diese Arbei-ten nur durch die enge Zusam-menarbeit der Ingenieurswissen-schaftlichen Fakultät mit der Me-dizin ermöglicht wurde, da nurdie Vereinigung von biotechno-logischer und halbleitertechnolo-gischer Kompetenz zur zielge-richteten Entwicklung diesesneuen Messverfahrens geführthat.

Autoren:

Prof. Dr. med. Anja K. Bosserhoffwar Mitarbeiterin des Institutsfür Pathologie des Aachener Uni-versitätsklinikums und ist jetztLeiterin der Abteilung Molekula-re Pathologie am Institut fürPathologie der Universität Regensburg.Prof. Dr. med. Reinhard Büttnerwar Mitarbeiter des Instituts fürPathologie des Aachener Univer-sitätsklinikums und ist jetztDirektor des Instituts für Patho-logie der Universität Bonn.Dr.-Ing. Peter Haring Bolivar istOberingenieur im Institut fürHalbleitertechnik.Univ.-Prof. Dr. phil. HeinrichKurz ist Inhaber des Lehrstuhlsund Leiter des Instituts für Halb-leitertechnik.Dipl.-Ing. Michael Nagel ist Wis-senschaftlicher Assistent im Insti-tut für Halbleitertechnik.

Anja K. Bosserhoff, Reinhard Büttner, Peter Haring Bolivar, Heinrich Kurz, Michael Nagel

Gendefekte präzise aufgespürtElektromagnetische Pulse im Terahertz-Frequenzbereichweisen Schäden in der Erbsubstanz nach

I

tagstaugliche „ Terahertz Bio-

77

Bild 1: Wissenschaftler im Insti-

den Strahlenverlauf an einem

biosensorische Anwendungenein. Foto: Peter Winandy

tut fü r Halbleiterstechnik richten

Laser fü r medizinische und

78

Wer sind wir?AGEESA (Aachener Graduierten-kolleg zur Eliminierung endokrinwirksamer Substanzen aus Ab-wasser) ist ein fakultätsübergrei-fendes DFG-Graduiertenkollegmit zehn Doktoranden und ei-nem Postdoktorand, dem sich imLaufe der Zeit sechs externeDoktoranden angeschlossen ha-ben. AGEESA wurde vom Um-weltforum der RWTH Aacheniniziiert und besteht seit Oktober1999. Folgende Institute sind be-teiligt: Siedlungswasserwirt-schaft, Verfahrenstechnik, Mik-robiologie, Ökologie und Um-weltanalytik, Hygiene und Um-weltmedizin sowie Molekularge-netik.

Probleme mit hormonell wirk-samen Stoffen in der UmweltHormone sind körpereigene Bo-tenstoffe, die in Drüsenzellen ge-bildet werden. Sie gelangen überKörperflüssigkeiten zum Zielor-gan und sind in geringen Men-gen wirksam. Eines der bekann-testen Hormone ist das weiblicheSexualhormon Estradiol (E2).

In den letzten Jahren wurdehäufig über hormonelle Störun-gen von Wasserlebewesen be-richtet. So bildeten männlicheForellen aus belasteten engli-schen Flüssen ein weibliches Ei-dotterprotein. Ein mit DDT ver-seuchter See führte zu fortpflan-zungsunfähigen Alligatoren. BeiVorderkiemenschnecken aus

Küstengewässern wurde eineVermännlichung beobachtet, dieauf eine TBT-Belastung der Hä-fen aus Schiffsanstrichen zurück-zuführen war.

Hormone in der Umwelt – Wo kommen sie her?Es gibt eine Vielzahl von Sub-stanzen, die in das Hormonsys-tem von Tieren eingreifen kön-nen. Sie werden auf unterschied-lichstem Wege in die Umwelteingetragen.

Hormonell wirksame Natur-stoffe wie Sitosterol gelangendurch verrottetes Pflanzenmate-rial in die Kläranlage. Natürlichemenschliche Hormone wie 17-W-Estradiol und seine Metaboliten

Philippe Corvini, Max Dohmann, Wolfgang Dott, Juliane Hollender, Magnus Mergel, Markus Naaßner,

Hormonell wirksame Stoffe in AbwasserAGEESA entwickelt interdisziplinäre Strategien zur Eliminierung

die biologischen Abbauversuche

anlage Aachen-Soers. Foto: Peter Winandy

Bild 1: Entnahme der Proben fü r

am Belebungsbecken der Klä r-

79

Estron und Estriol gelangen mitdem Urin ins Abwasser. DerHauptwirkstoff der Anti-Baby-Pille, das synthetische Hormon17-Q-Ethinylestradiol (EE2), istbiochemisch und im Körper sta-bil. So wird ein großer Anteil mitdem Urin ausgeschieden.

Einige Industriechemikalienund Umweltgifte sind ebenfallshormonell wirksam, wobei diehormonelle Wirkung ungewolltist. Man spricht hier von Xen-östrogenen. Darunter fallen Bi-sphenol A (BPA; Monomer fürKunststoffe, Epoxidharze) undNonylphenol (NP; persistenteAbbauprodukte von Alkylphen-olepolyethoxylaten, die als Ten-side eingesetzt wurden). Sie ge-

langen entweder direkt über dasAbwasser in die Kläranlage oderüber die Deponie durch Depo-niesickerwässer in den Boden.Hormonell wirksame Pestizide(wie das in Deutschland verbote-ne DDT) oder Formulierungszu-sätze werden auf die Felder auf-getragen, teilweise wird auchKlärschlamm landwirtschaftlichverwertet.

Xenöstrogene sind um meh-rere Größenordnungen wenigerwirksam als die Hormone, dochin Anbetracht der riesigen Pro-duktionsmengen im Tonnen-maßstab werden auch diese inrelevanten Mengen in der Um-welt gefunden. Sie werden inden konventionellen Kläranlagen

nicht ausreichend eliminiert undkönnen die Lebewesen in Flüssenbeeinträchtigen.

Gefahr für den Menschen?Ob die menschliche Gesundheitdurch hormonell wirksame Stoffeaus der Umwelt gefährdet wird,ist umstritten. EpidemiologischeStudien berichten über eine ver-schlechterte Spermienqualität beiMännern und über den Rück-gang der Spermienanzahl im Eja-kulat, andere Studien beweisendas Gegenteil. Oft werden dashäufigere Auftreten von Brust-und Prostatakrebs in direktenZusammenhang mit einer zuneh-menden Belastung hormonellwirksamer Stoffe aus der Umwelt

gebracht, jedoch gibt es bislangkeinen eindeutigen Beweis dafür.Im Vergleich zu einer Hinter-grundbelastung mit hormonellwirksamen Stoffen enthaltenPräparate zur Verhütung oderzur Behandlung von Unfrucht-barkeit sehr hohe Mengen anwirksamen Hormonen, die aller-dings nur über eine begrenzteZeitdauer eingenommen wer-den.

Was können wir dagegen tun?Zwei Möglichkeiten sind denk-bar: Erstens ein totaler Verwen-dungsstopp, der zumindest fürmedikative Hormonpräparateethisch nicht vertretbar ist. Zwei-tens die Verminderung des Ein-

Stefanie WeberPhilippe Corvini, Max Dohmann, Wolfgang Dott, Juliane Hollender, Magnus Mergel, Markus Naaßner, Stefanie Weber

80

trags in die Umwelt durch mög-lichst vollständige Eliminierung inKläranlagen. Die klassische Ab-wasserreinigung ist jedoch hier-für nicht ausgerichtet, so dassneue Verfahren wie die Bio- undMembranfiltration entwickeltund optimiert werden müssen.

Interdisziplinäre Strategien zur EliminierungDurch die interdisziplinäre Zu-sammenarbeit bei AGEESA wirddie Untersuchung dieses kom-plexen Problems ermöglicht. Umeine Eliminierung oder einen Ab-bau der hormonell wirksamenStoffe bestimmen zu können,wurden im Institut für Hygieneund Umweltmedizin und im Um-weltanalytischen Labor des Insti-tuts für Siedlungswasserwirt-schaft und Abfallwirtschaft (ISA)spezielle chemische Nachweis-methoden entwickelt. Damit las-sen sich geringste Spuren anHormonen und Xenöstrogenenim Abwasser mit gaschromato-graphischer Trennung und mas-senselektiver Detektion (GC-MS)bestimmen. Im Institut für Biolo-gie V werden biologische Wirk-tests mit Hilfe modifizierterBrustkrebszellen durchgeführt.Hiermit kann das gesamte hor-monelle Potenzial einer Abwas-serprobe bestimmt werden. DieKombination von chemischenund biologischen Nachweisme-thoden erlaubt es, die spezifi-schen Substanzen zu ermitteln,die für die Wirkung verantwort-lich sind. Neben dem Monitoringist die Untersuchung des Verhal-tens von NP und BPA im Klärpro-zess ein weiteres Forschungsziel.Dadurch erkennt man in welchenStufen des Klärprozesses eine Eli-mination stattfindet und wie sichdie Elimination gezielt verbessernlässt.

Da in den biologischen Reini-gungsstufen viele hormonell ak-tive Stoffe durch mikrobiellenAbbau inaktiviert werden kön-nen, wird der Abbau von NP,BPA, E2 und EE2 genauer unter-sucht. Durch den Einsatz radio-aktiv markierter Substanzen kön-nen am Institut für Biologie VMetabolite nachgewiesen undeindeutig den jeweiligen Aus-gangssubstanzen zugeordnetwerden. Am Institut für Hygieneund Umweltmedizin werdenBakterien aus der biologischenReinigungsstufe der Kläranlageisoliert, die E2 abbauen können.Erkenntnisse über deren Stoff-wechselwege können zur Opti-mierung des Klärprozesses ge-nutzt werden.

Im Abwasser befinden sichgelöste organische Substanzenaus Humus, die starke Bindun-gen mit kleineren Molekülen ein-gehen. Im Institut für Umwelt-analytik wird geprüft, ob dieseWechselwirkungen das Abbau-verhalten von Mikroschadstoffenverändern.

Am Institut für Biologie IV(Mikrobiologie) werden Hefezel-len hergestellt, die an ihrer Ober-fläche BPA binden können. Da-für werden die Zellen molekular-biologisch so verändert, dass siespezielle Bindeproteine ausbil-den, die stabil an der Zelloberflä-che verankert sind. Am Institutfür Biologie VII werden modifi-zierte Algenzellen hergestellt, anderen Zelloberfläche spezifischbindende Antikörper ausgebildetwerden. Die so modifizierten Zel-len, Algen wie Hefen, sollen inZukunft als biologische Filter fürhormonell wirksame Stoffe ein-gesetzt werden. Dabei werdendie Zellen in einer Filtrationsein-heit eingeschlossen, die von ge-klärtem Abwasser durchströmtwird. Die hormonell aktiven Stof-fe binden an der Zelloberflächeund werden so aus dem Abwas-ser entfernt.

Autoren:

Dr. rer.nat. Philippe Corvini istDFG-Stipendiat im Institut fürSiedlungswasserwirtschaft.Univ.-Prof. Dr.-Ing. Max Dohmann ist Inhaber des Lehr-stuhls und Direktor des Institutsfür Siedlungswasserwirtschaft.Univ.-Prof. Dr. rer.nat. Wolf-gang Dott ist Inhaber des Lehr-stuhls und Direktor des Institutsfür Hygiene und Umweltmedi-zin.Dr.-Ing. Dipl.-Chem. Juliane Hollender ist WissenschaftlicheAssistentin im Institut für Hygie-ne und Umweltmedizin.Dipl.-Biol. Magnus Mergler istDFG-Stipendiat am Lehrstuhlund Institut für Biologie IV (Mikrobiologie).Dipl.-Chem. Markus Naaßner istDFG-Stipendiat am Lehrstuhl fürBiologie V (Ökologie).L-Chem. Stefanie Weber istDFG-Stipendiatin im Institut fürHygiene und Umweltmedizin.

Zytokine assoziierte Erkrankung

IL-6, OSM, LIF, IL-1, TNF Rheumatoide ArthritisMultiples MyelomSchuppenflechte

TGF-W, IL-1, TNF Fibrosierende ErkrankungenLeberzirrhose

PDGF, VEGF Nierenversagen

81

hinunter, durch das Schiffertor hinausund hinter ihm liefen die Ratten her.Er spielte und ging ins Wasser der Weser hinein. Die Ratten folgten ihm

druckte. Eines Tages aber kam er

und mit ihm die Stadt durch das

Keiner hat jemals wieder von den

Doch bevor an Therapiean-sätze der genannten Erkrankun-gen gedacht werden kann, mussgenau verstanden sein, wie Zyto-kine wirken. Welche Melodiemuss der Rattenfänger spielen,um nur den positiven und nichtden negativen Effekt zu erzielen?

Peter C. Heinrich, Albert L. Pranada

Der Rattenfänger von Hamelnund ZytokineVom Segen und Fluch der Zytokine – Chancen für die Therapie schwerer Erkrankungen

Diese Frage soll durch denForschungsverbund des Aache-ner SonderforschungsbereichsSFB 542 geklärt werden. Hierwerden Signalwege klinisch be-deutsamer Zytokine mit dem Zielerforscht, Beiträge zur Klärungder Pathobiochemie entzündli-cher Erkrankungen auf moleku-larer Ebene zu leisten und damitneue Ansätze zur Verbesserungihrer Prävention, Diagnostik undTherapie zu erarbeiten. Zu die-sem Zweck sind im SFB 542Teamwork und Know-how ausfünf Instituten (Biochemie, Klini-sche Chemie und Pathobioche-mie, Pharmakologie und Toxiko-logie, Physiologie und Biologie II)und drei Kliniken (Dermatologie,Medizinische Kliniken II und III)zusammengefasst.

ytokine sind hormonartigeSignalstoffe, die in Zellendes Körpers über bestimmte

Signalwege einen definiertenbiologischen Effekt hervorrufenkönnen. Dieser Effekt kann ge-nau wie beim Rattenfänger vonHameln, je nach gespielter Melo-die, sehr positiv, aber manchmalauch höchst negativ sein. Nor-malerweise werden durch Zyto-kine so wichtige Körperfunktio-nen wie Blutbildung, Wundhei-lung oder die Immunabwehr ge-steuert. Aber leider spielen Ent-gleisungen von Zytokin-Signal-wegen auch eine entscheidendeRolle bei schweren entzündli-chen Erkrankungen, Störungendes Immunsystems und Tumo-rerkrankungen.

So ist die Entstehung vonRheumatoider Arthritis, Multi-plem Myelom oder Schuppen-flechte eng mit dem Zytokin In-terleukin-IL-6 verknüpft. Die fol-gende Tabelle soll eine grobeund keineswegs vollständigeÜbersicht über Krankheiten unddie mit ihnen verbundenen Zyto-kine geben.

Zzu spielen, er schritt die Weserstraß e

und ertranken klä glich. ...Der Rattenfä nger bestand auf dem

Kindern gehö rt.”

Schiffertor verließ en. ...

Stadt durch die Weserstraß e folgten

Stadt und spielte eine Melodie, die soschö n war, dass ihm alle Kinder der

einer goldenen Flö te betrat er diezurü ck. In prä chtiger Kleidung und mit

was die Stadtvä ter nur wenig beein-auß er der Drohung zurü ckzukommen,er hatte natü rlich kein Druckmittel,ursprü nglich vereinbarten Lohn, aber

„ ... Er nahm seine Flö te und begann

82

Bild 1: Interleukin-6-Signalwegund die biologischen Effekte.

Teilabbildung a: dreidimensio-nale Struktur von IL-6.Teilabbildung b: Bindungskine-tik von fluoreszierendem IL-6(gelb) an seinem Rezeptor inlebenden Zellen.

Teilabbildung c: Wanderung von

in den Zellkern.Teilabbildung d: dreidimensio-nale Struktur zweier STAT3-

fluoreszierendem STAT3 (grü n)

Molekü le gebunden an DNA.

83

Zum besseren Verständnisder Arbeit des SFB 542 soll hierbeispielhaft die Signalkaskadedes Zytokins IL-6 und ihre Ver-bindung zur Krebsform des Mul-tiplen Myeloms mit seinemschweren Krankheitsbild darge-stellt werden.

Der Signalweg des IL-6 ver-läuft kaskadenartig über eineReihe von Signalproteinen undsieht vereinfacht folgenderma-ßen aus: Im ersten Schritt bindetIL-6 an der Zielzelle von außenan seine Andockstelle, IL-6-Re-zeptor genannt, ähnlich wie einSchlüssel in das dazugehörigeSchloss passt (Bild 1, Schritt 1).Der IL-6-Rezeptor durchzieht dieMembran der Zielzellen und be-steht aus zwei Proteinunterein-heiten gp130 und einer Unter-einheit gp80. Jedes gp130-Mo-lekül ist auf der zellinneren Seitemit einer so genannten Janus-Ki-nase (Jak) verbunden. Diese Jakshaben wie alle Kinasen die Fä-higkeit in aktiviertem ZustandPhosphatreste auf Moleküle zuübertragen. Diesen Vorgangnennt man Phosphorylierung.Die Bindung des IL-6 an seinenRezeptor führt zur Aktivierungder Jaks, die zunächst sich selbstund dann die gp130-Molekülean bestimmten, zellinnen gelege-nen Stellen (markiert durch einrotes Y) phosphorylieren (Schrit-te 1 und 2). Diese neuen Phos-phatreste dienen dann als Bin-dungsstellen für Signalproteineder STAT-Familie (Signal Trans-ducer and Activator of Transcrip-tion) (Schritt 3). Die Proteine derSTAT-Familie sind Transkripti-onsfaktoren, die fähig sind dieSynthese bestimmter Proteine zuregulieren. Durch ihre Bindungan die neuen Phosphatreste vongp130 gelangen sie in räumlicheNähe zu den noch aktiviertenJaks und werden so ebenfallsphosphoryliert (Schritt 4). Da dieSTAT-Moleküle nun selbst überPhosphatreste verfügen, tendie-ren sie dazu, sich gegenseitig zubinden und bilden Paare aus jezwei STAT-Molekülen (Schritt 5).Die STAT-Paare lösen sich vomgp130 und wandern in den Zell-kern (Schritte 5 und 6). Dort ver-mögen sie an bestimmte Stellen

des Erbguts (DNA) zu bindenund so entsprechende Zielgeneeinzuschalten. Das Signal wirdalso wesentlich über die ProteineJak und STAT weitergeleitet,weshalb dieser Signalweg auchals Jak/STAT-Weg bezeichnetwird. So regt IL-6 zum Beispieldie Synthese von Entzündungs-proteinen in Leberzellen an. Je-doch kann auf diesem Wegenicht nur die Proteinsynthese re-guliert werden; auch wichtigeZellfunktionen wie Zellformän-derung/Differenzierung, Zell-wanderung, Zellteilung/Hem-mung der Zellteilung und pro-grammierter Zelltod werden sodurch IL-6 gesteuert (Schritt 7).Im gesunden Körper sind Signal-wege also sehr gut reguliert undausbalanciert, um ihre wichtigenFunktionen wahrnehmen zukönnen. Es wird also die richtigeMelodie gespielt, und so nur derpositive Effekt erzielt.

Ein derartig breit gefächerterFunktionsbereich des IL-6 führtbei Fehlsteuerung des Signal-wegs leider auch zu Krankheiten.Beim Multiplen Myelom führt ei-ne IL-6-Überproduktion überden Jak/STAT-Signalweg zu ei-ner unkontrollierten Vermehrungbestimmter Immunzellen. Diesträgt zur Krebsentstehung bei.Die Krebszellen produzieren ih-rerseits IL-6 im Überfluss, wel-ches über seinen Signalweg kno-chenabbauende Zellen, die Os-teoklasten genannt werden, akti-viert. Die Osteoklasten zerstörenverstärkt die Knochensubstanzim Körper. Davon sind besondersdie Wirbelsäule und die Rippenbetroffen. Der Knochenabbaukann dabei sogar so massiv sein,dass die Wirbelsäule spontanbricht. Die Fehlsteuerung desSignalwegs ist offensichtlich: DerRattenfänger spielt die falscheMelodie.

Nachdem erforscht ist, wel-che Fehlsteuerung vorliegt, stelltsich die Frage wie eine therapeu-tische Intervention möglich ist.Die Herausforderung lautet also:Wie erreicht man, dass der Rat-tenfänger nicht mehr die falsche,sondern wieder die richtige Me-lodie spielt?

Therapeutisch interessant istdie Intervention mit dem Ziel,den IL-6-Signalweg an einerStelle zu unterbrechen. EineMöglichkeit ist dabei die Ent-wicklung eines Hemmstoffs, derIL-6 vom Rezeptor verdrängtoder den Rezeptor besetzt undso die Bindung nach dem Schlüs-sel-Schloss-Prinzip verhindert.Ähnliche Hemmstoffe sind bei-spielsweise für die Therapie vonBrustkrebs oder chronisch mye-loischer Leukämie entwickeltworden. Ein weiterer Therapie-ansatz gegen das Multiple My-leom liegt im Einsatz von Anti-körpern, die den IL-6-Über-schuss abfangen. Derartige Anti-körpertherapien finden ebenfallsAnwendung bei RheumatoiderArthritis, Morbus Crohn undmanchen dermatologischen Er-krankungen. Möglichkeiten zurIntervention sind aber nicht nuran diesen Stellen, sondern prinzi-piell auf jeder Stufe, bei jedemSignalprotein einer Signalkaska-de denkbar.

Die Geschichte vom Ratten-fänger nimmt für die Stadt Ha-meln leider kein gutes Ende.Doch die Geschichte der Zytoki-ne in Gesundheit und Krankheitist noch keineswegs zu Ende. ImGegenteil, die Erzählung hat ge-rade erst begonnen. Noch gibt esviel zu erforschen und zu entde-cken bis schließlich maßge-schneiderte, kausale und effizi-ente Therapien von Krankheiten,deren Ursachen in Störungenvon Zytokin-Signalkaskaden lie-gen, bereit stehen werden.

Autoren:

Univ.-Prof. Dr. rer.nat. Peter C.Heinrich ist Inhaber des Lehr-stuhls für Physiologische Chemieund Molekularbiologie.Albert L. Pranada (cand. med.)ist Wissenschaftlicher Mitarbeiteram Institut für Biochemie.

84

des Laufrades einer Mikrodiago-nal-Blutpumpe.Foto: Peter Winandy

Dreidimensionale Ü berprü fung

85

86

n Deutschland leiden zehnMillionen Menschen an Gal-lensteinen. Die bekanntesten

Beschwerden, die Gallensteineverursachen, sind heftige Gallen-koliken. Die Erkrankung wird inder Regel durch die Entfernungder Gallenblase behoben.130.000 Operationen pro Jahrverursachen jährliche Kosten vonfast 2 Milliarden Euro. Die meis-ten Gallensteine bestehen über-wiegend aus Cholesterin. DieCholesterin-Homöostase derGalle beruht auf dem thermody-namischen Gleichgewicht vonCholesterin und seinen beidenLösungsvermittlern. Dies sindGallensäuren, die in der Leberaus Cholesterin synthetisiertwerden sowie Phospholipide, dieCholesterin in der wässrigen Gal-le in einem System von Lipid-komplexen (Mizellen und Vesi-kel) in Lösung halten. Die Steineentstehen bei einer Übersätti-gung der Galle mit Cholesterinaus Cholesterinmonohydratkris-tallen. Ein besseres Verständnisder molekularen Mechanismendes Gallensteinleidens könntebessere Therapien und sogar ei-ne Prävention ermöglichen.

Bevölkerungsstudien zeigendeutliche geographische Unter-schiede in der Häufigkeit vonGallensteinen. In europäischenLändern, in Amerika und Austra-lien treten Gallensteine bei 10 bis20 Prozent der Bevölkerung auf.Dagegen sind sie in Asien undAfrika selten. Die Unterschiedespiegeln nur teilweise den Ein-fluss von Umweltfaktoren, insbe-sondere der Ernährung, wider.Systematische Familien- undZwillingsuntersuchungen mittelsUltraschall bestätigen die Bedeu-tung genetischer Faktoren beider Entstehung von Gallenstei-nen. Gallensteine werden heute– wie Übergewicht oder Diabe-tes – als eine „polygene“ Erkran-kung angesehen, die aus vielfäl-tigen Wechselwirkungen derUmwelt mit zahlreichen geneti-schen Faktoren resultiert.

Die klassische Stammbaum-analyse nach Mendel untersuchteinfache Erbgänge, die auf eineinzelnes Gen (rezessiv oder do-minant) zurückzuführen sind. Beipolygenen Erkrankungen wirddie Analyse erschwert. Hier sindInzuchtmäuse ein geeignetesTiermodell zur Genanalyse, dasich das Genom und die physio-logischen Systeme von Menschund Maus stark ähneln. Inzucht-mäuse ermöglichen dem Experi-mentator gezielte Kreuzungenund die Kontrolle der Umweltbe-dingungen. Die QuantitativeTrait Locus (QTL)-Analyse stellteine neue Methode dar, mit de-ren Hilfe die für die Bildung vonGallensteinen verantwortlichenGene (lithogene Gene oder Lith-Gene) lokalisiert werden können.Die Methode basiert auf der ge-netischen Kopplungsanalysequantitativer Krankheitsmerkma-le mit genetischen Markern. Diessind DNA-Fragmente, deren Se-quenzunterschiede leicht mit Hil-fe einer Gel-Elektrophoresesichtbar gemacht werden kön-nen.

Es konnten bisher sechs Gen-loci, die die Bildung von Choles-teringallensteinen beeinflussen,identifiziert werden. Aus mehre-ren QTL-Analysen für Gallenstei-ne ergibt sich die „Gallenstein-karte“. Diese ermöglicht einenÜberblick über die zu Gallenstei-nen prädisponierenden QTL unddiejenigen Gene, die eine Schlüs-selrolle in der Cholesterin-Homö-ostase der Galle spielen. Die Kar-te erlaubt es, chromosomale Re-gionen, in denen humane Lith-Gene lokalisiert sein könnten, zuerkennen. Aufgrund ihrer geneti-schen Lokalisation stellen insbe-sondere Lipidtransporter – wiedie Gallensäuren-Exportpumpe(Bile Salt Export Pump, BSEP) –und die Multiliganden-Rezepto-ren der Leber und der Gallenbla-se attraktive Zielgene dar. Durchdie Identifizierung von geneti-schen Variationen (Polymorphis-men) werden Prognosefaktorenzur individuellen Risikoabschät-zung gewonnen. In der klini-schen Praxis könnte ein geneti-sches Screening von Lith-Genenbei Patienten mit starkem Über-gewicht und den damit einher-gehenden Stoffwechselstörun-gen sinnvoll sein, insbesonderedann, wenn aufgrund der Be-gleiterkrankungen ein hohesOperationsrisiko vorliegt.

Die „Gallensteinmaus“ er-laubt nicht nur die Aufklärungder genetischen Grundlagen desGallensteinleidens, sie ist auchbei der Identifizierung neuerTherapiemöglichkeiten hilfreich,da sie von Natur aus gegen Gal-lensteine geschützt ist. Damitsich bei der Maus Gallensteinebilden, muss die Zusammenset-zung ihres Gallensäuren-Poolsdem des Menschen angeglichenwerden. Hierzu wird Cholsäuredem Futter beigemischt. Gallen-säuren werden in der Leber ausCholesterin synthetisiert, indemzwei oder drei Hydroxyl-Grup-pen angelagert werden und dieSeitenkette des Cholesterins ver-kürzt wird. Während Menschenvorwiegend Chenodeoxychol-säure und Cholsäure synthetisie-ren, besitzen Mäuse andere Gal-lensäuren.

Sie synthetisieren überwie-gend W-Muri-Cholsäure (3Q,6W,7W-Trihydroxy-5W-Cholansäure),während sich bei Bären großeMengen Urso-Deoxycholsäure(3Q,7W-Dihydroxy-5W-Cholan-säure) finden. Diese Gallensäu-ren sind hydrophiler (polarer) alsChenodeoxycholsäure und Chol-säure. Die Untersuchungen imMausmodell haben gezeigt, dasssolche hydrophilen Gallensäuren

die Aufnahme von Choleste-rin im Darm vermindern,

den Gallefluss steigern,die Expression von Lipidtrans-

portern der Leber wie der Gal-lensäuren-Exportpumpe verstär-ken,

die Löslichkeit von Choleste-rin in der Galle erhöhen und

protektive Effekte auf Zell-membranen besitzen.

Die Verwendung von ge-trockneter Galle oder Galleex-trakten zur Behandlung von Le-ber- und Gallenwegserkrankun-gen kennt man schon seit lan-gem. Zu den ersten Gallensäu-ren, die versuchsweise therapeu-tisch eingesetzt wurden, gehörtDehydrocholsäure (Decholin),das Trioxoderivat der Cholsäure.Während die Gallensäuren aller-dings im pharmakologischen Ar-senal in Europa und Amerika bisin die siebziger Jahre des zwan-zigsten Jahrhunderts keine Rollespielten, werden in China Zube-reitungen von Bärengalle seitüber hundert Jahren von traditio-nellen Apothekern verkauft. InJapan wurde die Ursodeoxychol-säure 1957 als „Cholagogum“erstmals zur Behandlung vonGallenwegserkrankungen zuge-lassen. Heute ist diese Gallensäu-re das Standardmedikament zurmedikamentösen Auflösung vonGallensteinen.

Beim Menschen werden sig-nifikante Mengen der Ursodeo-xycholsäure durch Epimerisie-rung an der C-3-Position zurnoch hydrophileren iso-Ursodeo-xycholsäure (3W,7W-Dihydroxy-5W-Cholansäure) umgewandelt.Um die therapeutischen Effektedieser Gallensäure zu testen,wurde Iso-Ursodeoxycholsäuremit Hilfe der Mitsunobo-Reakti-on synthetisiert und durch Re-kristallisation und Chromatogra-phie gereinigt (Reinheitsgrad > 99 Prozent). Sowohl die tierex-perimentellen als auch erste klini-sche Studien zeigten die Wirk-samkeit und Sicherheit der Iso-Ursodeoxycholsäure, die vorwie-gend in Ursodeoxycholsäure um-gewandelt wird und bei Patien-ten mit primär biliärer Zirrhose –einer chronischen Erkrankungder Gallenwege – zu einer signi-fikanten Besserung der Leber-werte führt.

Frank Lammert, Siegfried Matern, Hans Günther Thomas

Von der Bärengalle zur organischen ChemieMolekulare Mechanismen von Gallenwegserkrankungen

I

87

Während der letzten 30 Jah-re haben sich Gallensäuren als ei-ne effektive und sichere Therapiebei Gallensteinen und anderenGallenwegserkrankungen erwie-sen. Das therapeutische Arsenalwird ständig erweitert und dasbessere molekulare Verständnisder Wirkmechanismen und dergenetischen Grundlagen trägtdazu bei, neue pharmakologi-sche Präventions- und Therapie-strategien bei Gallenwegserkran-kungen zu entwickeln. Aufgrundder erheblichen Kosten, die Er-krankungen der Gallenwege ver-ursachen, könnten vorbeugendeMedikamente bei Risikopatien-ten gesundheitsökonomischdurchaus sinnvoll sein.

Autoren:

PD Dr. med. Frank Lammert istWissenschaftlicher Oberassistentan der Medizinischen Klinik III. Univ.-Prof. Dr. med. Dipl.-Bio-chem. Siegfried Matern ist Direk-tor der Medizinischen Klinik III.Prof. Dr. rer.nat. Hans GüntherThomas ist Leiter des Lehr- undForschungsgebiets OrganischeChemie.

iologie ist die Wissenschaftvom Lebendigen. Life Sci-ences und Lebenswissen-

schaften sind aber keineswegsÜbersetzungen dieses traditions-reichen Begriffes. Im heutigenSprachgebrauch bezeichnen LifeSciences die Untersuchung,Funktionalisierung und Verände-rung von Lebewesen auf einerzellularen und molekularen Ebe-ne. In den Life Sciences begeg-nen sich Biologie, Medizin, Che-mie, Ingenieurwissenschaftenund Informatik. Wie die Sequen-zierung der DNA des Menschenund anderer Spezies erst durchdas Zusammenwirken von Com-puter- und ingenieuser Labor-technik, der Medizin und Biolo-gie möglich geworden ist, sinddie Life Siences ein Beispiel fürein neues Wissensgebiet, das erstdurch das Zusammenwirken ver-schiedener Disziplinen erschlos-sen wurde, die jeweils eine eige-ne lange Tradition haben.

Auch für die Lebenswissen-schaften ist der Begriff nochnicht abschließend gefasst. Sie illustrieren gegenüber den LifeSciences eine andere Art der in-terdisziplinären Entgrenzung tra-ditioneller Wissenschaftsgebiete.Hier liegt der neu erschlosseneBereich nicht im Mikroskopi-schen, sondern im Makroskopi-

Sozialmedizin, Ökosystem undVerhaltensforschung fallen indiesen Bereich. Da die Interakti-on und Abhängigkeit von Lebe-wesen mit und von ihrer Umweltin globalem Maßstab deutlichgeworden sind, gehören die Le-benswissenschaften wie die LifeSciences zu den großen Aufga-benfeldern der Zukunft. Es ist einParadoxon des heutigen Wissen-schaftsbetriebes, dass der deut-sche und der englische Begriff,die wie die Übersetzungen von-einander erscheinen, ganz unter-schiedliche Wissensgebiete be-zeichnen.

Die Bio- und Gentechnolo-gie, Life Sciences, sind aber nichtallein ein Beispiel dafür, wie ausbisher eigenständigen Wissens-gebieten eine neue Disziplin ent-steht. In der technisierten undcomputerisierten Laboratoriums-praxis hat das technologischeElement einen prägenden Cha-rakter in der sich neu formieren-den Wissenschaft gewonnen.Die neue Wissenschaft ist eineneue Technologie. Bio- und Gen-technik als Wissenschaft unter-scheiden sich schon durch dennamensgebenden Bestandteil „-technik“ von anderen traditio-nellen Experimentalwissenschaf-ten. Ihre Gegenstände werdennicht von der Natur ins Labortransportiert, sondern im Laborauf molekularer und genetischerEbene hergestellt und verändert.Damit hat diese Wissenschaftnur noch wenig mit der klassi-schen beschreibenden Funktionder Biologie gemein. Die erfolg-reiche Veränderung ist die Ge-währ für das Verstehen und dieBeherrschung der Lebensprozes-se. Der alte Grundsatz FrancisBacons bestätigt sich: novisse est

Die hinzugewonnenen Möglich-keiten dieser neuen Technologi-en stellen die Frage nach den da-mit verbundenen Risiken.

Auch in einer ethischen Be-ziehung unterscheiden sich dierelativ jungen Life Sciences vonden Wissenschaften, die an ihrerKonstitution beteiligt sind. So-wohl in den Ingenieurwissen-schaften wie in der Medizin gibtes ethische Grundsätze, die bin-dend geworden sind und die ei-ne geeignete Orientierung fürdie Lebenswissenschaften seinkönnen. Im März 2002 verab-schiedete der Verein DeutscherIngenieure (VDI) Ethische

die auf einer älteren Erklärungdes VDI von 1950 aufbauen:

antwortung orientiert sich an

scher Verantwortung, wie sie

und unkontrollierbare Risikopo-(Art. 2.3,

nieurberufs). Sehr viel älter ist

die Tradition der ethischenGrundsätze in der Medizin, diemit dem Eid des Hippokrates bisin die Antike zurückreicht. 1948wurde dieses medizinisch-ärztli-che Selbstverständnis durch das

ger Kodex und 1964 durch dievom Weltärztebund beschlosse-ne Deklaration von Helsinki,welche Leitlinien für biomedizini-sche Forschung am Menschenfestgelegt hat, ergänzt und ak-tualisiert. 1979 verabschiedete

des hippokratischen Eides ba-

genbringen und selbst unter Be-

nicht in Widerspruch zu den Ge-boten der Menschlichkeit an-wenden.“ – Ein Passus, der inden Diskussionen über die For-schung an embryonalen Stamm-zellen selten genannt wurde.

Der Exkurs in die Standes-ethik zeigt, dass auch die hinzu-gewonnenen Möglichkeiten inden Life Sciences sich nicht inwertfreien Räumen bewegen.Dass dieses Wissenschaftsgebietdurchaus ethischer Regelungenbedarf, hat sich nicht erst mit derjüngsten Diskussion über Bio-technologie und Stammzellen-forschung bewiesen, sondernwurde bereits 1962 deutlich, alsauf dem Kolloquium „Man andhis Future” der Ciba-Foundationdie Molekulargenetiker H. J.Muller und Joshua Lederberg ei-ne grundlegende genetischeUmprogrammierung des Men-schen empfahlen, darunter Men-schen mit vier Armen und Hän-den und einem Gehirn, das diese

mag“ . Solche Visionen, die imZeitalter der Atom- und Welt-raumeuphorie der sechziger Jah-re ernsthaft entworfen wurden,wären heute undenkbar, obwohldie uns zur Verfügung stehendenTechnologien bei weitem dieMöglichkeiten der sechziger Jah-re übersteigen. Es ist zu hoffen,dass die Diskussion zu einer Ver-sachlichung der Debatte und zurEinschränkung rein positivisti-scher Zukunftsvorstellungen ge-führt hat.

Karl R. Kegler

Zwischen Life Sciencesund LebenswissenschaftenZum Stellenwert von Technikreflexion an einer Technischen Hochschule

B

schen: Umwelt-, Arbeits- und

Grundsä tzen allgemein morali-

Sie verbietet, Produkte fü r aus-

zung (beispielsweise durch inter-

jeglichem Handeln zukommt.

schließ lich unmoralische Nut-

nationale Ä chtung) zu entwi-

tentiale zuzulassen.“

ckeln und unwä gbare Gefahren

Ethische Grundsä tze des Inge-

der 82. Deutsche Ärztetag eineVerpflichtungsformel fü r deut-

Empfä ngnis an Ehrfurcht entge-

drohung meine ä rztliche Kunst

„ absolut zu beherrschen ver-

„ Die spezifische Ingenieurver-

posse – Wissen heiß t Kö nnen.

Grundsä tze des Ingenieurberufs,

jedem Menschenleben von der

sche Ä rzte, die auf den Inhalten

siert. Dort heißt es: „ Ich werde

Genfer Gelö bnis, den Nü rnber-

88

Die hinzugewonnenen Mög-lichkeiten der Bio- und Gentech-nik stellen aber wie jede Auswei-tung des menschlichen Macht-bereichs die Frage nach den da-mit verbundenen Zielen und Risi-ken. Diese Art von Risikoanalyseund ethischer Kompetenz, wiesie auch in den jüngsten ethi-schen Richtlinien des Ingenieur-berufes formuliert wurden, ge-hört zu den wesentlichen Quali-fikationen, die eine TechnischeHochschule neben einer hervor-ragenden wissenschaftlichenAusbildung zu vermitteln hat.Wie die Life Sciences selbst istdies eine interdisziplinäre Aufga-be, bei der neben den Natur-und Ingenieurwissenschaften dieKultur- und Geisteswissenschaf-ten gefordert sind – gefordert inder Beurteilung von Technologi-en und im Nachdenken über dieKontexte, in denen sie wirksamwerden. Auch bei einer Konzent-ration auf die molekularenGrundlagen des Lebens in denLife Sciences darf der Zusam-menhang zu den größeren Kon-texten in den Lebenswissen-schaften nicht abreißen. Hierfürbietet sich das Forum Technikund Gesellschaft mit dem kürz-lich gegründeten Interdisziplinä-ren Netzwerk TechnikreflexionAachen (INTER AC) an. Für dieRWTH würde das bedeuten, eineauch kontroverse Debatte überStammzellenforschung, wie sieim 2001/2002 im Senat stattge-funden hat, aufzugreifen und zuüberlegen, in welcher WeiseKompetenzen für die umfassen-de Dimension lebenswissen-schaftlicher Forschung im Studi-um verankert werden können.

Zuletzt: Der Begriff „Leben“ist nicht allein ein biologischerBegriff, sondern hat eine eigen-ständige wichtige Tradition inder Philosophie- und Geistesge-

meinste und alles umfassende

sprechen mit gleichem Recht so-

vom menschlichen Leben undvom Leben der Natur“ , wie derbedeutende russische Philosophund Übersetzer Hegels ins Russi-sche Vladimir Solov’ev ausführt.Auch diese Dimension muss ih-ren Platz im umfassenden Bil-dungs- und Ausbildungsauftrageiner Technischen Hochschulebewahren.

Autor:

Dipl.-Ing. Karl R. Kegler ist Ge-schäftsführer des Forums Tech-nik und Gesellschaft.

ngst ist ein normalpsycho-logisches Phänomen miteiner ethologisch fundier-

ten biologischen Funktion, näm-lich der, das Lebewesen vor Be-drohung zu bewahren, indem sieein adäquates Vermeidungsver-halten gegenüber bedrohlichenReizen auslöst. Damit stellt Angstzunächst eine adaptive, affektiv-emotionale Reaktion dar, kannaber auch in pathologischerForm auftreten, etwa bei speziel-len Angsterkrankungen und alsein Symptom vieler anderer psy-chiatrischer Störungen.

Inwiefern haben die ThemenTechnik und Angst etwas miteinander zu tun? Angst gab und gibt es in jedemZeitalter, nur die Inhalte und derUmgang mit ihr sind einem ge-schichtlichen Wandlungsprozessunterworfen. Was die Menschenängstigt, ist seit jeher das Unbe-kannte, Unkontrollierbare, dieBedrohung ihrer Existenz. DieAngst unserer Vorfahren bezogsich größtenteils auf Naturge-walten, Krankheiten oder Dämo-nen. Heute leben wir in einerEpoche, in der die Technik einenhohen Stellenwert besitzt undaus dem täglichen Leben nichtmehr wegzudenken ist.

Viele der früheren Ängstesind durch Wissenschaft undTechnik eingedämmt, aber vieletechnische Errungenschaften er-wecken durch ihre potenziell le-bensfeindlichen Kräfte neueÄngste vor Unberechenbarkeitund Zerstörung. Ob Atomener-gie, Chemie- oder Biotechnolo-gie, jede Technik hat Vor- undNachteile, und keine Technik hatsich als unfehlbar erwiesen.

Neben der Begeisterung fürden Fortschritt durch Technikwird diese also auch mit Ängstenverknüpft, besonders bei Mel-dungen über Unfälle wie Tscher-nobyl, die Klimakatastrophe oderden Anschlag auf das World Trade Center am 11. September2001. Immer dann werden in derGesellschaft Befürchtungen laut,wenn das ursprüngliche Ziel, dietechnischen Errungenschaftenfür den Wohlstand der Men-schen nutzbar zu machen, zumumgekehrten Fall mutiert, näm-lich dass Mensch und Umweltdurch die Technik beherrschtwerden.

Sigmund Freud schrieb inden dreißiger Jahren in seinerSchrift „Das Unbehagen in derKultur” über das Zerstörungspo-tential der Technik: „Die Men-schen haben es jetzt in der Be-herrschung der Naturkräfte soweit gebracht, daß sie es mit de-ren Hilfe leicht haben, einanderbis auf den letzten Mann auszu-rotten. Sie wissen das, daherrührt ein gut Stück ihrer gegen-wärtigen Unruhe, ihres Un-glücks, ihrer Angststimmung.” Esändert sich im Verlauf der Welt-geschichte also die Art der Be-drohung, nicht aber die Angstbe-reitschaft der Menschen.

Henning Saß

Technik und Angst

A

schichte. „ Leben ist der allge-

Name für die Fü lle der Wirklich-

wohl vom gö ttlichen als auch

keit ü berall und in allem. Wir

89

Die meisten Menschen ken-nen viele Formen der Angst, wel-che stufenlos von leichten bis zuschwersten Ausprägungen vari-ieren kann und insofern einen di-mensionalen Charakter besitzt.Angst stellt demnach kein ein-deutiges symptomatologischesKriterium für eine Krankheit dar,aber ängstliche Züge gehörenzweifellos zu den hervorstechen-den Merkmalen vieler Störungs-bilder. Neben den oben erwähn-ten Angsterkrankungen (diessind dem offiziellen diagnosti-schen Manual ICD-10 zufolgedie Panikstörung, die generali-sierte Angststörung, die Phobienund einige Mischformen) sindauch zu nennen die depressivenErkrankungen, einige Persönlich-keitsstörungen und die durchDenk- und Affektstörungen,Wahn und Halluzinationen sowiephasenweise durch massiveAngst gekennzeichneten schizo-phrenen oder affektiven Psycho-sen.

Angst wurde vereinzelt auchals „Faktor unseres Wirklich-keitssinns” bezeichnet. Ist dieserSinn gesund und ungetrübt undein äußerer Reiz als bedrohlichwahrnehmbar, sprechen einigePsychologen von Realangst. Die-ser gegenüber steht der Begriffder irrationalen (neurotischen)Angst, die aufgrund gestörterProzesse ohne sichtbaren äuße-ren Anlass ausgelöst werde.

Kritische Stimmen könntenfragen: Wann ist ein als bedroh-lich wahrgenommener Reiz wirk-lich bedrohlich? Wer entscheidetüber dieses „wirklich”? Vor demHintergrund einer sich exponen-tiell entwickelnden Technik wirdder Realitätssinn („reale Bedro-hung”) vielleicht an Maßstäbengemessen, die wir noch gar nichtfestlegen können. Rationale undirrationale Ängste überlagernsich also in vielen Fällen.

Beeinflusst die technische Ent-wicklung die psychischenKrankheiten bzw. den psychopa-thologischen Aspekt der Angst? Auftreten, Inhalte und Verarbei-tungsweisen psychischer Erkran-kungen stehen mit den großenThemen der jeweiligen Epoche inVerbindung, und der Psychiateroder Psychotherapeut muss dieProbleme und Ängste seiner Zeitkennen, weil er sie, wenn auchmanchmal in verdichteter oderverzerrter Form, bei vielen Pati-enten wiederfindet. Beispielhaftfür den Einfluss wichtiger Zeit-und Lebensthemen auf die Inhal-te psychischer Störungen sindpsychotische Befürchtungen. Sofürchten an einer Psychose er-krankte Menschen – im Zuge ei-nes akuten Wahns – bestrahlt,abgehört oder mit Sendern ver-sehen und verfolgt zu werden.Modernere technische Wahnin-halte sind geprägt durch Compu-ter, Gentechnologie oder Inter-net.

Interessant ist auch, wie sichdie Prävalenzraten einiger psy-chischer Störungen mit dem Ver-lauf der Kulturgeschichte und dertechnischen Fortschritte verän-dern. Epidemiologische Studienergaben, dass die Soziale Phobie– bis vor etwa zwanzig Jahren ei-ne selten diagnostizierte Störung– in den westlichen Industrielän-dern mittlerweile die häufigsteAngststörung ist. Nach den Er-gebnissen des National Comorbi-dity Survey (Kessler et al. 1994)liegt die Ein-Jahres-Prävalenz bei7,9 Prozent und die Lebenszeit-prävalenz bei 13,4 Prozent. NachDepression und Alkoholabhän-gigkeit zählt sie damit zu denhäufigsten psychischen Krank-heiten überhaupt. Sie äußert sichin starken Ängsten vor und derVermeidung von sozialen Situa-tionen, insbesondere den Kon-takt mit anderen Menschen be-treffend. Bei der Frage nach denWurzeln vermuten einige Wis-senschaftler, dass der Einfluss derTechnik auf die sozialen Verhält-nisse einen wesentlichen Faktordarstellt. Zunehmende Arbeits-teilung, Spezialisierung, Mobilitätund Automation, neben eineroftmals nicht mehr von Menschzu Mensch geführten, sonderndurch High-tech (Stichwort„Short-Message-Service”) er-setzten Kommunikation, könneneinen Verlust an Sozialität bewir-ken und Individuen isolieren.

Seltener als pathologischübersteigerte Angst, aber ebensovon Krankheitswert, sind Zustän-de pathologischer Angstfreiheit.Diese kennt die Psychiatrie zumBeispiel von Patienten mit ausge-prägter Kritikschwäche bei orga-nischer Wesensänderung oderim Rahmen von manischen bzw.manchmal schizophrenen Psy-chosen, wenn das Verhalten undErleben durch Größenideen undAktivitätsüberschwang gekenn-zeichnet ist. Zustände abnormverminderter Ängstlichkeit gibtes aber insbesondere auch beider antisozialen Persönlichkeits-störung, die durch mangelndeFähigkeit zu Empathie undSchuldgefühl sowie die Suchenach ständig neuen Reizen undRisiken gekennzeichnet ist. In derTerminologie Kraepelins zur Zeitder vorigen Jahrhundertwendeentsprechen solche Personenden „Gesellschaftsfeinden”. Sol-che Verhaltensstile finden sichaber nicht nur bei sozial devian-ten Individuen, sondern auchvereinzelt bei Abenteurern, Ha-sardeuren oder manchen Politi-kern.

In diesem Zusammenhangerhält die Beziehung zwischenTechnik und Angst eine durchausweltpolitische Dimension. Diepositiven, für Mensch und Um-welt zuträglichen Errungenschaf-ten der Technik treten in denHintergrund, wenn der verant-wortliche Umgang mit ihnen an-gezweifelt wird, und sie weichenangesichts des Zerstörungspo-tenzials heutiger Technologieneiner Angst in der Bevölkerungund dem starken Wunsch nacheiner Kontrolle des Fortschrittesdurch ethisch-moralische und so-zial-politische Instanzen. Zuletztwurde dies an der Debatte umStammzellen und Klonierungdeutlich. Die Schweizer AutorinKyrilla Spieckers beschreibt diesmit den Worten „Nicht was wirmachen können, nur, was wirverantworten können, hilft wirk-lich weiter”.

FazitAls Ergebnis könnte man festhal-ten, dass Angst – abgesehen vonden überspitzten und quälendenAusformungen – eine wichtigeGefühlsqualität mit einer schüt-zenden, lebenserhaltendenFunktion ist, indem sie die Augenfür Gefahren öffnet. Ein Zuvielan Angst bringt Leiden, hemmtEntwicklung und beeinträchtigtdie psychische und körperlicheGesundheit. Andererseits birgteine Verleugnung der Angst dieGefahr der „geradezu zwang-haften Beseitigung all der Berei-che, die einem Menschenlebenso etwas wie Tiefe zu verleihenvermögen” (Scharfenberg).Technik sollte in diesem Zusam-menhang weder idealisiert nochverteufelt, aber kritisch und ver-antwortungsvoll betrachtet wer-den.

Autor:

Univ.-Prof. Dr. med. HenningSaß ist Ärztlicher Direktor desUniversitätsklinikums.

aus psychopathologischer Perspektive

90

ie Wogen des Streits zwi-schen den Befürworternund Kritikern der so ge-

nannten „Grünen Gentechnik”schlagen seit den ersten Freiset-zungsversuchen mit genetischveränderten Pflanzen in denachtziger Jahren bis heute unver-mindert hoch. Während die ei-nen die Chancen und Vorteileder Gentechnik in der Landwirt-schaft in rosigen Farben malenund neben ökonomischen auchökologische und gesundheitlicheVorteile bis hin zur Lösung desWelthungerproblems in ihremArgumentenarsenal führen, wei-sen die anderen auf die unkalku-lierbaren Risiken für Mensch undUmwelt hin und melden grund-sätzliche Zweifel an der Zulässig-keit eines allein menschlichen In-teressen geschuldeten Eingriffs indie genetischen Grundlagen na-türlicher Organismen an. Wiejenseits ideologisch festgefahre-ner Einseitigkeit ein verantwor-tungsvoller Umgang mit gene-tisch veränderten Nutzpflanzenmöglich ist, ist Schwerpunkt eines interdisziplinären For-schungsprojekts, in dem seit Feb-ruar 2000 Biologen, Soziologenund Philosophen aus Norwegen,den Niederlanden und Deutsch-land (RWTH Aachen) zusam-menarbeiten.

Ziel des ProjektsIm Zentrum dieses überwiegendaus Mitteln der EuropäischenUnion finanzierten Projekts stehtdie Arbeit norwegischer und nie-derländischer Molekularbiolo-gen, die gemeinsam an der Ent-wicklung einer Erdbeersorte ar-beiten, die gegen Botrytis cine-rea, den gefürchteten „grauenSchimmel”, resistent ist. Diesergedeiht vor allem bei kühlenTemperaturen und hoher Luft-feuchtigkeit und führt jährlich zuErnteverlusten von bis zu 30 Pro-zent. Eine botrytis-resistente Erd-beersorte könnte unter den ver-schiedensten klimatischen Bedin-gungen in ganz Europa sowie inkühleren und feuchteren Jahres-zeiten angebaut werden. Diebeim Anbau konventioneller Erd-beeren bisher notwendigen Fun-gizide sind potenziell toxisch undzeitigen eine lediglich begrenzteWirkung. Der Anbau der gene-tisch veränderten Erdbeere dage-gen, welche die verstärkte Fun-gusresistenz bereits in sich trägt,würde den Einsatz toxischer Fun-gizide signifikant verringern, viel-

leicht sogar überflüssig machenund somit einen ernsten Beitragzu einer nachhaltigen Landwirt-schaft darstellen. Neben denökonomischen liegen also dieökologischen und gesundheitli-chen Vorteile auf der Hand.

Die Art der genetischen Veränderung Die Vergrößerung der Schimmel-resistenz soll durch eine geneti-sche Veränderung besondererArt erzielt werden. Zwar ent-spricht die hierbei angewandteTechnik der genetischen Modifi-zierung im Prinzip derjenigen, diebei transgenen Veränderungenangewendet wird. Anders jedochals bei den meisten genetischenModifizierungen dieser Art, diemit artfremder DNS aus anderenOrganismen arbeiten (zum Bei-spiel bakterielle Gene im Soja),wird die modifizierte Erdbeerenur arteigenes genetisches Ma-terial enthalten, also nicht trans-gen, sondern cisgen verändert.Die Artgrenzen – dies ist das Be-sondere – werden nicht über-schritten. Nur vorübergehendwird ein artfremdes Gen, ein sogenanntes Marker-Gen, zur bes-seren Selektion im Labor einge-setzt. Es wird vor der Züchtungs-phase der erfolgreich modifizier-ten Erdbeere wieder entfernt.

Wie ist eine solche, die Art-grenzen nicht überschreitendegenetische Intervention möglich?Die Erdbeere besitzt bereits spe-zielle Gene, die das Eindringendes Botrytis cinerea in die Zellender Erdbeere verhindern (PGIP-Gene). Diese natürliche Resistenzist jedoch häufig nicht stark ge-nug ausgeprägt. Die Idee ist nun,den Ausdruck der PGIP-Genedurch den Einsatz erdbeereige-ner „Promoter” oder „Schalter-gene” zu vergrößern, die für dieAktivierung (oder Latenz) gene-tischer Informationen zuständigsind. Eine der – auch ethisch rele-vanten – Hauptschwierigkeitenbleibt jedoch, dass eine Vorher-sage des Stelle, an der die Inte-gration der veränderten Gense-quenz in die DNS der Erdbeer-pflanze geschehen wird, nichtmöglich ist. Von der Tatsache,dass die Artgrenze nicht über-schritten wird, darf also nicht oh-ne Weiteres auf die Harmlosig-keit der genetischen Verände-rung geschlossen werden. Frei-setzungsversuche sind im Rah-men dieses vierjährigen Projektsnicht geplant.

Soziale Akzeptanz Der (nicht nur) ökonomische Er-folg der genetisch verändertenErdbeere basiert wesentlich aufder Akzeptanz des Verbrauchers.Diese ist von verschiedenen Fak-toren abhängig: Von der Art undQualität seines Wissensstandes,von den tatsächlichen ökologi-schen und gesundheitlichen Risi-ken sowie maßgeblich von derjeweils subjektiven Wahrneh-mung des Risikos. Mit diesenFaktoren und der Analyse der Ri-sikowahrnehmung der Verbrau-cher beschäftigen sich die nor-wegischen Soziologen. Anhandvon detaillierten Fragebögen undvertieften Interviews in Fokus-gruppen, die in mehreren euro-päischen Ländern zum Einsatzkommen, versuchen sie die Ein-stellung der Verbraucher undProduzenten zu genverändertenNahrungsmitteln im Allgemeinensowie der Erdbeere im Besonde-ren zu ermitteln. Dadurch sollzum einen das ökonomische Risi-ko der Produzenten abgeschätztwerden, ob eine fungusresistenteErdbeersorte überhaupt ein ver-marktungsfähiges Produkt ist.Zum anderen sollen die auf man-gelndes Wissen zurückzuführen-den Vorurteile der Gentechnolo-gie gegenüber, welche die An-satzpunkte zukünftiger wissen-schaftlicher Aufklärungsbemü-hungen darstellen, näher unter-sucht werden.

Ethische Probleme Im Zentrum der Arbeit der nor-wegischen und deutschen Philo-sophen stehen die ökologischenund gesundheitlichen Risiken so-wie die Frage, wie ein ethisch zuverantwortender Umgang mitihnen möglich ist. Dabei wird einmoralisches Bewertungskonzepterarbeitet, das es erlaubt, die Ri-siken und den Nutzen für alle Be-teiligten und Betroffenen auf ei-ne faire, unparteiliche Weise zubewerten und gegeneinanderabzuwägen. Die Grundidee die-ses Ansatzes ist der Gedanke derPartizipation, der es erlaubt, dieArgumente und Standpunkte al-ler Seiten umfassend und ange-messen zu berücksichtigen. Hier-durch ergibt sich die Chance ei-ner hohen Akzeptanz des als in-tersubjektiv verbindlich Erkann-ten.

Vorsorgeprinzip und Delphi-Studie Innerhalb dieses dialogisch-argu-mentativen Bewertungskon-zepts, das die freie, konsensuelleZustimmung aller Betroffenen alsobersten Maßstab richtigen Han-delns anerkennt, wird das so ge-nannte „Precautionary Princi-ple”, eine Art Vorsorgeprinzip,eine wichtige Rolle spielen. Die-ses Prinzip, das auch in der Rio-Deklaration von 1992 zur Ab-wehr von irreparablen Umwelt-schäden hervorgehoben wird,erlaubt und gebietet antizipie-rende Vorsorgemaßnahmenauch dann, wenn es für möglicheRisiken noch keine eindeutigenBeweise gibt – wenngleich derenAnnahme wissenschaftlich plau-sibel sein muss. Genau darin be-steht allerdings die Schwierigkeitder Anwendung des Vorsorge-prinzips bei diesem Projekt. Dadie Biologen im Rahmen ihresProjektbeitrags keine Risikoana-lyse durchführen werden, kanndie gegenwärtige Anwendungdes Vorsorgeprinzips, die ja gera-de einen verantwortungsvollenRisikoumgang gewährleisten soll,noch auf kein ausreichendes Datenmaterial zurückgreifen.Dieser Schwierigkeit begegnetdie Durchführung einer Delphi-Studie. Dabei werden Experten(Molekularbiologen, Ökologen)mittels einer bestimmten Befra-gungsmethode gebeten, dieWahrscheinlichkeit des Eintrittsbestimmter Risiken sowie derenrelative Akzeptanz abzuschätzen.Die Delphi-Studie erfüllt also denZweck einer vorläufigen, gleich-wohl qualifizierten Risikoanalyse,welche die Anwendung des Vor-sorgeprinzips ermöglicht.

Das leitende Ziel des philoso-phischen Projektbeitrags bestehtvor allem in der Ausarbeitung ei-nes operationalisierbaren Beur-teilungskonzepts, das Entschei-dungsträgern aus Politik, Wirt-schaft und Verwaltung ein praxi-staugliches Entscheidungsmodellzur Verfügung stellen soll, dasauch für die Beurteilung andererFälle genetisch veränderter Nutz-pflanzen anwendbar ist.

Autor:

Christoph Kupfer M.A. ist Wis-senschaftlicher Angestellter amLehrstuhl für Philosophie im Phi-losophischen Institut.

Christoph Kupfer

Schimmelresistente Erdbeeren – Biokost oder Hightech-Food?Ethische Herausforderung durch genetisch veränderte Nutzpflanzen

D

91

Halbleitertechnik IHT.Foto: Peter Winandy

Desoxyribunukleinsä ure (DNA)-

Diagnostik im Institut fü r

Entwicklung von Terahertz-

Biochips fü r die genetische

92

Der mit 25.000 Euro dotierte In-novationspreis der Vodafone-Stiftung für Forschung geht indiesem Jahr an Univ.-Prof. Dr.rer.nat. Rudolf Mathar vomLehr- und ForschungsgebietStochastik, insbesondere Anwen-dung in der Informatik, derRWTH Aachen. Die Jury zeichne-te seine grundlegenden Arbeitenzur Planung und Optimierungvon Mobilfunknetzen aus.

Damit viele Millionen Handy-Besitzer in bester Qualität mobilkommunizieren können, müssendie Standorte für Tausende vonSende- und Empfangsanlagen ei-nes Mobilfunknetzes sorgfältiggeplant werden. Der Versuch,dieses Problem mathematischexakt zu lösen, überfordert selbstdie schnellsten Computer. Inno-vationspreisträger Rudolf Mathargelang es dennoch Lösungen mitvertretbarer Rechenzeit zu fin-den, die nahe am optimalen Er-gebnis liegen. Sein Trick: Er teilteein Mobilfunknetz in Tausendevon Einzelbereiche auf und rech-nete die optimalen Standorte derBasisstationen für jedes Teilge-biet exakt aus. Durch „Überlage-rung“ der Einzelergebnisse lässtsich am Ende eine Gesamtlösungfinden, die dem Optimum sehrnahe kommt. Sechs Jahre inten-siver Forschungsarbeit waren nö-tig, um das heute auch bei derPlanung von Mobilfunknetzenverwendete Rechenverfahren zurPraxisreife zu bringen.

Gegenwärtig arbeitet Matharzusammen mit seinem Team in-tensiv an der Planung künftigerUMTS-Funknetze. Ein in Aachenentwickeltes Prognosemodell istinzwischen in der Lage, beispiels-weise die exakte Ausbreitungvon Radiowellen und damitmögliche gegenseitige Störun-gen benachbarter Sendestatio-nen mit hoher Genauigkeit vor-herzusagen. Ein Verfahren, dasvor allem in Innenstädten wegenunvermeidlicher Reflexionen undBeugungen von Funkwellen anGebäuden von großem Nutzenist.

Im Rahmen einer Festsitzung derGesellschaft Deutscher Chemikerwurde Univ.-Prof. Dr. rer.nat.Dieter Enders vom Lehrstuhl fürOrganische Chemie der RWTHAachen mit der Emil-Fischer-Medaille ausgezeichnet. Die miteinem Preisgeld von 7.500 Euroverbundene Goldmedaille istnach dem deutschen Nobel-Preisträger Emil Fischer benannt.Mit dieser Anerkennung werdenherausragende wissenschaftlicheLeistungen auf dem Gebiet derOrganischen Chemie gewürdigt.

Über seine Arbeit als Hoch-schullehrer und Leiter des Insti-tuts für Organische Chemie hinaus ist Professor Enders inzahlreichen Hochschulgremienwie dem Senat der RWTH Aachen engagiert. Neben zahl-reichen Stipendien wurde Profes-sor Enders bereits mit dem Preisder Universität Gießen, demLeibniz-Preis, dem Yamada-Preisund dem Max-Planck-For-schungspreis ausgezeichnet.

Im Rahmen des Gottfried Wil-helm-Leibnizprogramms erhieltRWTH-Professor Dr. WolfgangDahmen als ein Preisträger desJahres 2002 1,5 Millionen Markfür seine Forschungen. Das Nor-mierungsgremium der DFG hobin seiner Entscheidungsbegrün-dung vor allem die Verbindungvon Theorie und Anwendung inder wissenschaftlichen Arbeitvon Wolfgang Dahmen hervor.Die Ergebnisse seiner Forschungfänden unter anderem Anwen-dung in der Verfahrenstechnikund beim Computer Aided Geo-metric Design, einer Technik zurrechnergestützten Darstellungvon Kurven und Flächen. Dah-mens Entwicklungen bilden heu-te die Grundlage für computer-gestützte Design- und Ferti-gungsprozesse, beispielsweisebei der Konstruktion von Auto-karosserien. Seit einigen Jahrenbeschäftigt sich Dahmen mit Fra-gen der Online- und Echtzeitop-timierung. Sie sind bedeutend fürdie Überwachung und Steuerungvon Prozessen in sensiblen Anla-gen wie chemischen Reaktoren.An der RWTH Aachen studierteWolfgang Dahmen bereits Ma-thematik und Physik, er schlosshier 1976 seine Promotion ab. Erhabilitierte an der UniversitätBonn und ging zunächst zu IBMnach Yorktown Heights in dieUSA. Nach Zwischenstationen ander Universität Bielefeld und derFU Berlin kehrte er 1992 an dieAachener Hochschule zurück.

Namen

93

Professor Dr. Ivan Kohn Schullervon der University of California,San Diego, ist zurzeit als Hum-boldt-Forschungspreisträger ander RWTH Aachen tätig. Er gehtam II. Physikalischen Institut zu-sammen mit Univ.-Prof. Dr. Ger-not Güntherodt und Mitarbei-tern gemeinsamen Forschungs-arbeiten nach. Den mit 50.000Euro dotierten Humboldt-For-schungspreis für Naturwissen-schaftler aus den USA erhieltIvan Kohn Schuller bei der Jah-restagung der Alexander-von-Humboldt-Stiftung im Juni 2002in Berlin.

Gewürdigt wurde der Wis-senschaftler wegen seiner zahl-reichen Verdienste um das Ge-biet der „Metallischen Übergit-ter”. Aus diesen Pionierarbeitenresultierten in den vergangenenJahren herausragende For-schungsbeiträge im Bereich derMagnetoelektronik. ProfessorSchuller ist darüber hinaus Preis-träger des von der AmericanPhysical Society 1999 verliehe-nen John Wheatley Award.

Auf dem diesjährigen Internis-tenkongress in Wiesbaden wur-de der Oberarzt an der Medizini-schen Klinik III, PD Dr. med.Frank Lammert, mit dem Theo-dor-Frerichs-Preis der DeutschenGesellschaft für Innere Medizinausgezeichnet. Der mit 15.000Euro dotierte Preis wird seit 1958für die beste klinisch-experimen-telle Arbeit auf dem Gebiet dergesamten Inneren Medizin ver-liehen.

Mit seiner Forschungsarbeitüber Gallenstein-Gene konntesich Lammert gegenüber 21 an-deren wissenschaftlichen Arbei-ten durchsetzen. Die von ihmentwickelte „Gallensteinkarte”erlaubt es, chromosomale Regio-nen im humanen Genom vorher-zusagen und dient einer deutlichverbesserten Risikoabschätzungund Gallensteinprävention.

Lammert wurde 1965 inNeuss geboren. Er studierte Me-dizin in Düsseldorf und an derRWTH. Hier promovierte er1995 mit dem Prädikat summacum laude und habilitierte sichim Jahr 2001. Seitdem ist erOberarzt im Team von Univ.-Prof. Dipl.-Biochem. Dr. med.Siegfried Matern.

Im Rahmen der Festveranstal-tung der Hauptversammlung derDeutschen Gesellschaft für Ma-terialkunde (DGM) wurde dieTammann-Gedenkmünze an denAachener Wissenschaftler PD Dr.rer.nat. Dmitri Molodov verlie-hen. Mit der Tammann-Gedenk-münze werden Mitglieder derDGM geehrt, die mit dem Auf-bau oder der Leitung wissen-schaftlicher und technischer Ar-beitsgruppen eigene Forschungs-oder Entwicklungskonzepteschöpferisch verwirklicht haben.Dmitri Molodov wurde 1954 imrussischen Perm geboren. Ab1972 studierte er Maschinenbauan der Universität Stawropol,1974 führte ihn sein Interesse ander Physik der Materie an dieTechnische Universität Moskau.In seiner Dissertation beschäftig-te er sich mit Fragen der Ther-modynamik und Kinetik vonKorngrenzen in Metallen. An-fang der neunziger Jahre kamMolodov an das Institut für Me-tallkunde und Metallphysik derRWTH Aachen. Heute ist er Lei-ter der Arbeitsgruppe Grenzflä-chendynamik am Institut. Er ha-bilitierte sich 1999 an der Fakul-tät für Bergbau, Hüttenwesenund Geowissenschaften derRWTH Aachen und ist Privatdo-zent im Fach Metallphysik.

Für herausragende Leistungenauf dem Gebiet der angewand-ten Eisenforschung und für lang-jähriges ehrenamtliches Engage-ment zugunsten der industriellenGemeinschaftsforschung (IGF)erhielt Prof. Dr.-Ing. Karl HeinzMommertz, Honorarprofessoram Institut für Eisenhüttenkundeder RWTH Aachen, das Bundes-verdienstkreuz am Bande desVerdienstordens der Bundesre-publik Deutschland. Bundeswirt-schaftsminister Dr. Werner Mül-ler überreichte die Ehrung imAuftrag des BundespräsidentenJohannes Rau. Neben dem be-ruflichen Engagement ist Mom-mertz seit mehr als 30 Jahren inder Arbeitsgemeinschaft industri-eller Forschungsvereinigungene.V. (AiF) aktiv. Von 1987 bis1998 war er Vorsitzender desWissenschaftlichen Rates derAiF. Besonders hat er sich derEntwicklung anspruchsvollerStandards im Gutachterwesender IGF sowie der Optimierungund Beschleunigung ihrer Ver-fahrensabläufe gewidmet. Als1997 in enger Kooperation mitdem Bundeswirtschaftsministeri-um eine Arbeitsgruppe zur Er-folgssteuerung in der IGF errich-tet wurde, war Professor Mom-mertz maßgeblich daran betei-ligt. Die AiF hat Karl Heinz Mom-mertz bereits 1999 in Anerken-nung seiner weitreichenden Ver-dienste um die gemeinnützigeForschung und Entwicklung imInteresse der industriellen Wirt-schaft und der ihr verbundenenWissenschaft die Otto von Gue-ricke-Medaille verliehen.

Nachrichten

94

Am 18. Juni wurde am Hauptge-bäude der RWTH Aachen eineGedenktafel angebracht, die andie von den Nationalsozialistenvertriebenen Hochschulangehö-rigen erinnert. Bei der Einwei-hung der Gedenktafel sprachender Rektor Prof. Burkhard Rau-hut, der Aachener Oberbürger-meister Dr. Jürgen Linden undder Leiter des Bürgerprojekts„Wege gegen das Vergessen”Winfried Casteel. Die von Aachener Bürgern angestoßeneund von der Stadt mitgetrageneInitiative „Wege gegen das Ver-gessen” will an geschichtsträch-tigen Orten und Gebäuden Aa-chens an die Opfer nationalso-zialistischer Verfolgung erinnern.Insgesamt 42 bronzene Gedenk-tafeln sollen künftig in der Stadtein sorgfältig geknüpftes Wege-netz der historischen Erinnerungmarkieren. Unter der nationalso-zialistischen Herrschaft wurdenHochschullehrer, Studierende,wissenschaftliche und nichtwis-senschaftliche Mitarbeiterinnenund Mitarbeiter aus politischenund rassistischen Gründen vonder Technischen Hochschule Aachen verwiesen – in der Mehr-zahl schon in den Jahren zwi-schen 1933 und 1935. So wur-den zwölf, auf der Tafel nament-lich genannte Hochschullehrerentlassen, etwa ein Zehntel desgesamten damaligen Lehrkör-pers.

Für seine außergewöhnlichenund vorbildlichen Verdienste alsIngenieur und für den persönli-chen Einsatz zur Förderung derinterdisziplinären Forschung ander RWTH Aachen wurde Pro-fessor Dr.-Ing. Werner Holstenun die Würde eines SenatorsEhren halber zuteil. Bereits 1951kam der gebürtige Westfale zumStudium des Maschinenwesens,Fachrichtung Wärme-, Kraft-und Arbeitsmaschinen, nach Aachen. Nach nur sechs Semes-tern beendete er 1953 sein Stu-dium, um 1956 mit der Note„sehr gut” zu promovieren und1957 zu habilitieren. Danachwechselte er bis 1972 in die In-dustrie. Doch die Forschung ließHolste nicht los und ab 1964wurde er, neben seiner Tätigkeitin der Wirtschaft, zum außer-planmäßigen Professor ernannt.In den folgenden Jahren war erMitbegründer des Instituts fürTechnologische Entwicklungslini-en, dessen erster Präsident erwar. Sein Hauptaugenmerk warjedoch der industriellen Beratungund Weiterbildung gewidmet. Er organisierte das von ihm ge-gründete Institut für TechnischeDiagnostik, das er bis ins Jahr2000 führte. Im Jahre 1977übernahm er als Direktor undgeschäftsführendes Vorstands-mitglied die Leitung der „Techni-schen Akademie Wuppertal”(TAW), eines Außeninstituts derRWTH Aachen. Er hat stets dieNähe zur RWTH betont und inhohem Maße zur Verbreitungtechnisch-ingenieurwissenschaft-lichen Wissens beigetragen.

Dr. jur. Willi Linkens wurde zumHonorarprofessor der RWTH Aachen berufen. Seit 1994nimmt er bereits einen Lehrauf-trag in der Philosophischen Fakultät zum Themenbereich„Allgemeines und besonderesVerwaltungsrecht” wahr. DerLehrauftrag am Lehrstuhl für An-gewandte Geographie unter Lei-tung von Univ.-Prof. Dr. HelmutBreuer wurde damals beantragt,weil für die Studienschwerpunk-te „Regionale Wirtschaftsraum-analyse und Wirtschaftsförde-rung” sowie „Telekommunikati-ve Dienstleistungen” im Haupt-studium des Faches Wirtschafts-geographie ein entsprechendesLehrangebot erforderlich wurde.Mit der Zusage des damaligenStadtdirektors und heutigenhauptamtlichen Bürgermeistersder Stadt Baesweiler, Dr. WilliLinkens, diesen Lehrauftrag zuübernehmen, ist eine wesentli-che und berufsqualifizierendeVerbesserung des Lehrangebotsim Fach Wirtschaftsgeographiegelungen.

Namen

95

Der mit insgesamt 10.500 Eurodotierte Verkehrssicherheitspreisdes Bundesministers für Verkehr,Bau- und Wohnungswesen wur-de unter anderem an Dipl.-Ing.Martin Brake vergeben. Der alsWissenschaftlicher Mitarbeiteram Institut für Straßenwesen derRWTH Aachen Tätige erhielt denHauptpreis von über 7.000 Euro.Mit dem Verkehrssicherheitspreiswerden wegweisende, anwen-dungsorientierte Forschungs-und Entwicklungsarbeiten ausge-zeichnet. Martin Brake erhieltden Preis für seine Arbeit überdie Entwicklung eines videoba-sierten Verfahrens zur Erfassungvon Verkehrsdaten und zur Stör-falldetektion in Tunnels. In seinerArbeit hat er untersucht, ob esmöglich ist, aus Videodaten dieverschiedensten Störfälle rech-nergestützt in Echtzeit zu erken-nen. Einbezogen wurden Brand-und Rauchentwicklung, liegen-gebliebene Fahrzeuge, Benut-zung von Standstreifen und Not-haltebuchten, Falschfahrer sowiePersonen beziehungsweise Ge-genstände auf der Fahrbahn. Dieerforderlichen Algorithmen wur-den im Rahmen der Arbeit ent-wickelt, programmiertechnischumgesetzt und getestet. Hier-durch ist es zukünftig möglich,sowohl Art und Umfang vonStörfällen als auch ihre Ursachenräumlich und zeitlich exakt auto-matisch zu erfassen.

Seit 30 Jahren ermöglichen es dieProgramme der Alexander vonHumboldt-Stiftung für For-schungspreisträger, ausländischeSpitzenwissenschaftlerinnen und-wissenschaftler zu selbstge-wählten Forschungskooperatio-nen mit Kollegen in Deutschlandeinzuladen. Wie schon in derVergangenheit so profitierteauch in diesem Jahr die RWTHvon dieser Förderung. Die Stif-tung gab bekannt, dass Prof. Dr.Sridhar Seetharaman aus denUSA – ausgestattet mit dem neu-en Friedrich Wilhelm Bessel-For-schungspreis – am Institut für Ei-senhüttenkunde bei Univ.-Prof.Dr.-Ing. Dieter Georg Senk for-schen wird. Der Friedrich Wil-helm Bessel-Forschungspreis istmit 55.000 Euro dotiert und för-dert speziell den Austausch mitjungen Wissenschaftlern. Nebendem RWTH-Institut ist auch dasMax-Planck-Institut für Eisenfor-schung in Düsseldorf beteiligt.Prof. Senk zeigte sich über diePreisvergabe an Sridhar Seetha-raman sehr erfreut und schmie-det schon Pläne für eine zukünf-tige Kooperation: „Wir wertendieses Projekt als Beginn einerZusammenarbeit, die in weitereForschungen und auch in denAustausch von Studierendenzwischen der RWTH Aachen undder Carnegie Mellon Universitymünden wird.”

In diesem Jahr feierte das Colle-gium Musicum der RWTH Aa-chen sein 50-jähriges Jubiläum.Im Wintersemester 1952/53gründeten musikbegeisterte Stu-dierende, Assistenten und Pro-fessoren ein Kammerorchester.Die musikalische Leitung über-nahm damals Rudolf Bremen.1958 wurde das Collegium umeinen Chor erweitert. Fritz terWey, der das studentische En-semble 1989 übernahm, bautedas Orchester zu einer sympho-nischen Besetzung aus. Mit derBerufung ter Weys als Professoran die Musikhochschule Det-mold trat 1995 Hub Pittie ausMaastricht die Leitung vonHochschulchor und -orchesteran. Im Sommer 2001 gründetenStudierende in Eigeninitiative dasHochschul-Salonorchester alsdritten Teil des Collegium Musi-cums. Die akademische Leitungliegt bei Univ.-Prof. Dr.-Ing. Edmund Haberstroh vom Institutfür Kunststoffverarbeitung. Heu-te setzt sich das Collegium Musi-cum hauptsächlich aus Studie-renden, Assistenten und Profes-soren, aber auch aus Musik-freunden aus dem Umfeld derRWTH zusammen. Einmal wö-chentlich proben die Musiker fürdie geplanten Konzerte. Dieskönnen sowohl gemeinsame alsauch getrennte Aufführungenvon Chor und Orchester sein.

Nachrichten

96

as Verhältnis zwischenSteinbruchbetreibern undderen Nachbarn kann ex-

plosiv werden. Ein typischesSteinbruchunternehmen zündetjedes Jahr etwa 100 TonnenSprengstoff, um damit 400.000Tonnen Gestein aus dem Fels zubrechen. Gewonnen werdenKalkstein und Dolomit für die Ze-mentproduktion. Granit, Basaltund anderes Hartgestein dienendem Bau von Straßen, Eisen-bahnstrecken und Uferbefesti-gungen sowie als Zutat für denuniversellen Baustoff Beton.

Von diesen Rohstoffen wirdauch das Wachstum der Siedlun-gen gespeist, die nun dichter andie oft viele Jahrzehnte altenSteinbrüche heranrücken. Unddort erfahren die Bewohner dannhautnah die Schattenseiten derSteingewinnung: Staubentwick-lung und ständiger LKW-Ver-kehr. Besonders beunruhigendsind jedoch Erschütterungen undLärm, die von den Sprengungenausgehen. Diese treiben die An-wohner in jüngster Zeit immeröfter auf die Barrikaden.

„Da bildet sich schon die eineoder andere Bürgerinitiative, diemit Transparenten vor die Fir-mentore zieht”, berichtet Ale-xander Hennig, Bergbauinge-nieur der RWTH Aachen undehemaliger Produktionsleiter ei-nes Steinbruchs. „Aber eher ha-gelt es nach Sprengungen telefo-nische Beschwerden. Der Bürger-meister wird vorstellig oder inter-veniert bei der Genehmigungs-behörde, die den Betreiber ab-mahnen soll. Manch aufgebrach-ter Anwohner lässt sich gar zuSachbeschädigungen hinreißen”,so Hennig.

Jetzt haben Ingenieure derRWTH gezeigt, wie Steinbruch-unternehmen weiterhin Spreng-stoff zünden und trotzdem mitihren Nachbarn in Frieden lebenkönnen. Die vom Bundeswirt-schaftsministerium geförderteStudie wurde vom Forschungs-verband Naturstein-Industrie inAuftrag gegeben und von denRWTH-Instituten für Bergbau-kunde III sowie für TechnischeAkustik durchgeführt. DemTeam um Professor ChristianNiemann-Delius kam dabei zu-gute, dass sich die Anwohner ei-nes Kalksteinbruchs überaus ko-operativ zeigten, obgleich siesich zuvor massiv über die Deto-nationen beschwert hatten.

Die Aachener Forscher be-stückten deren Wohnhäuser au-ßen wie innen mit Mikrofonenund Körperschallsensoren. Zu-dem erkundeten sie mit Fragebö-gen, welche Schallwahrnehmun-gen, aber auch welche Gefühleund Ängste die Sprengungen bei den Anwohnern auslösten. DieSchallmessungen ergaben, dassaußerhalb der Häuser der Grenz-wert für kurzzeitige Geräusch-spitzen in keinem einzigen Fallüberschritten wurde. Dagegenlagen die Lärmpegel im Hausin-nern oft deutlich darüber.

Die Ursache dafür war Kör-perschall, der sich über felsigenUntergrund vom Explosionsort indie Wohnhäuser fortpflanzte.Dort verwandelten sich die Er-schütterungen in Schallschwin-gungen der Luft: Die Bewohnerhörten dunkles Grollen, das Klir-ren von Fensterscheiben undWeingläsern, das Scheppern vonGeschirr. Der von den Erschüt-terungen ausgelöste „Sekundär-schall” beunruhigte die Bewoh-ner weit mehr als Sprengschall,der sich nur auf dem Luftwegausbreitete. Bei der Schallwahr-nehmung spielten offenbarÄngste eine Rolle. Zum Beispielbangten viele Anwohner um dieBausubstanz ihrer Häuser, wäh-rend die Messdaten diese Furchtals unbegründet widerlegten.

Gleichwohl wissen die For-scher um Niemann-Delius, dasssie aufgebrachte Bürger mitMessdaten allein nicht be-schwichtigen können. Sie schla-gen deshalb vor, die von denSprengungen ausgehenden Er-schütterungen zu minimieren.„Kein Weg führt daran vorbei,die raum-zeitliche Abfolge derEinzelexplosionen per Computerzu steuern”, sagt Niemann-Deli-us. Nur so kann die Sprengkraftpro Volumen- und Zeiteinheitwirksam begrenzt werden. Zu-dem sorgt die Präzision vonComputerchips dafür, dass sichwohl-dosierte Einzelexplosionenvon der Felswand schrittweise indie Tiefe fressen. Bliebe eine De-tonation dagegen von einer di-cken Gesteinsbarriere ringsumeingesperrt, würde sie 500 Meterweiter die Wände wackeln las-sen.

Autor:

Dr. Forstwiss. Thomas Früh istMitarbeiter der Pressestelle.

Thomas Früh

Wie Sprengstoff zünden,ohne die Nachbarn zu erzürnen?

Steinbruchbetreiber können sprengen und trotzdem mit ihren Nachbarn in Frieden leben

D

97

98

m August veröffentlichte dasMagazin „WirtschaftsWoche”ein aktuelles Hochschulran-

king. Beteiligt waren die Perso-nalverantwortlichen von 400Unternehmen und Institutionen.Bei der Frage nach der Hoch-schule mit dem besten Ruf er-klärten sie die RWTH im Bereichder Ingenieurwissenschaftenzum eindeutigen Favoriten.

In der Fachrichtung Informa-tik belegt die Aachener Hoch-schule den dritten Platz hinterder TH Karlsruhe und der TUDarmstadt. Bei der Fragestel-lung, von welcher Hochschuledie meisten Bewerber eingestelltwerden, behauptet die AachenerHochschule wiederum in den In-genieurwissenschaften und inder Informatik den Spitzenplatz.Die guten Erfahrungen mit Ab-solventen waren der Hauptgrundfür diese Bewertung der Hoch-schulen. Eine wichtige Rollespielten auch Kooperationen miteiner Hochschule, deren Anse-hen und persönliche Kontakte.

Als herausragendes Einstel-lungskriterium nannten die Un-ternehmensvertreter Praxiserfah-rung, noch vor Fremdsprachen,EDV-Kenntnissen, Examensno-ten und Engagement außerhalbdes Studiums. Es folgten Aus-landserfahrung, Studiendauer,Alter und ein geradliniger Le-benslauf. Hingegen waren derStudienort allein, ein Doktortiteloder ergänzende Studien vonnachrangiger Bedeutung.

„Der Forderung der Industrienach einer sehr praxisnahen Aus-bildung wird die RWTH mit ihrerengen Einbindung der Studieren-den in Forschungsaktivitäten ge-recht”, bewertete Professor Dr.med. Rolf Rossaint, Prorektor derRWTH, erfreut die Umfrageer-gebnisse. Ermöglicht werde diesdurch entsprechende Themen-stellungen für Studien- und Dip-lomarbeiten oder auch durchstudentische Hilfskraftstellen inkonkreten Projekten. „Die For-schungsstärke der RWTH zeigtsich in ihren überdurchschnittlichhohen Drittmitteln, die sich imvergangenen Jahr auf über 251Millionen Mark addierten”, soRossaint. Eine Vorbereitung aufdie spätere Berufstätigkeit werdeim Ingenieurstudium weiterhindurch umfangreiche Pflichtprak-tika erreicht, in den Diplomstudi-engängen Maschinenbau undElektrotechnik sogar durch imStudienplan integrierte ganzePraxissemester.

In das Ranking des Wirt-schaftsmagazins wurden außer-dem die Bereiche Betriebs- undVolkswirtschaftslehre einbezo-gen, bei denen die RWTH jedochkeine Spitzenplätze belegenkonnte, sowie das Fach Jura, dasan der Aachener Hochschulenicht angeboten wird. Ihre hoheReputation in den ingenieurwis-senschaftlichen Fächern wurdeaber bereits in den Rankings der Zeitschriften „stern” und„FOCUS” deutlich. „Die Umfra-geergebnisse der Wirtschaftswo-che bestätigen erneut, dass dieAachener Hochschule eine ersteAdresse für künftige Ingenieureund Informatiker ist”, empfiehltRossaint Studieninteressenten.

Autorin:

Renate Kinny M.A. ist Stellver-tretende Dezernentin der Presse-stelle.

Renate Kinny

Erste Adressefür künftige Ingenieureund Informatiker

Ranking der „WirtschaftsWoche“bestätigt guten Ruf der RWTH

I

99

Intuition und Kreativität gehören ebenso zuden bevorzugten Eigenschaften von SoftwareIngenieuren wie logisch-strukturelles DenkenKommen dazu noch Teamfähigkeit und kommunikative Überzeugungskraft, erfüllen Sie alleAnforderungen an eine Karriere bei sd&m.

Respekt vor Ihrer Intelligenz und ein menschlich vorbildliches Klima können Sie im Gegenzug von uns erwarten. sd&m ist ein Software- und Beratungshaus mit900 hoch qualifizierten Software -Fachleutenspezialisiert auf die Entwicklung von Individual

Wir suchen für alle unsere Niederlassungen Software-Ingenieure (m/w). Bitte bewerben Sie sich direkt bei der von Ihnen bevorzugten Niederlassungoder unter: www.sdm.de · sd&m AG · München · Stuttgart · Frankfurt · Köln/Bonn · Düsseldorf · Berlin · Hamburg · Zürich

| Absolventen der Informatik, Mathematik, Physik und anderer Naturwissenschaften |

software. In eigenverantwortlichen Projektenplanen, konzipieren und realisieren wir für unsere Kunden erstklassige InformationssystemeAls Generalisten setzen wir dabei alle Technologien ein. Mehr zu Software, Projekten, Teamund Kultur von sd&m unter: www.sdm.de

-.-

--

,-

-.-

Sie haben auchschmutzige Gedanken

Weil Ihr Denkenkeine Grenzen kennt..

I II

Schwerpunkte und Trends Schwerpunkte und Trends Schwerpunkte und TrendsSchwerpunkte und Trends Schwerpunkte und Trends Schwerpunkte und Trends Schwerpunkte und Trends Schwerpunkte und Trends Schwerpunkte und Trends Schwerpunkte und Trends Schwerpunkte und Trends Schwerpunkte und Trends Schwerpunkte und TrendsSchwerpunkte und Trends Schwerpunkte und Trends Schwerpunkte und Trends Schwerpunkte und Trends

Schwerpunkte in der Werk

Im nächsten Heft:

in der Werkstofftechnikin der Werkstofftechnikin der Werkstofftechnikin der Werkstofftechnikin der Werkstofftechnikin der Werkstofftechnikin der Werkstofftechnikin der Werkstofftechnikin der Werkstofftechnikin der Werkstofftechnikin der Werkstofftechnikin der Werkstofftechnikin der Werkstofftechnikin der Werkstofftechnikin der Werkstofftechnikin der Werkstofftechnikin der Werkstofftechnik

und Trendskstofftechnik

er Himmel über demLenkrad besteht bislangaus Materialien, die kaum

wiederverwertbar sind. Zumeistist es ein Verbundwerkstoff ausglasfaserverstärktem Polyure-than. Doch seit sich die Industrieverpflichtet hat, bis zum Jahr2004 nur noch Autos zu bauen,die zu 95 Prozent wiederver-wertbar sind, gibt es hier Hand-lungsbedarf. Jetzt haben Inge-nieure einen so genannten PKW-Dachhimmel entwickelt, der zugleichen Teilen aus dem Polypro-pylen-Flor von Altteppichen und

Pflanzenfasern geformt wird. AmEnde seiner Lebensdauer kann erzu PKW-Plastikteilen umge-schmolzen werden. Das Ressour-cen schonende Verfahren ent-stammt einer Allianz von Auto-zulieferern, Recycling-Firmenund Forschungseinrichtungenunter Federführung des Institutsfür Textiltechnik (ITA) der RWTHAachen.

Allerdings hat die Sache ei-nen Haken: Dem Bauteil fehltder eindringliche Geruch vonKunstharz, wie man ihn bishervom Innern eines Neuwagenskennt. Stattdessen verströmt derneuartige Dachhimmel den na-türlichen Duft nach Heu. Die In-dustriepartner, denen die Ge-wohnheiten der Verbraucherheilig sind, zögern deshalb mitder Markteinführung. Doch injüngster Zeit häuften sich Anfra-gen von Automobilzulieferern,berichtet Annette Kolkmann, In-genieurin am ITA. Denn der„grüne“ Dachhimmel wiegt beigleicher mechanischer Stabilitätetwa 300 Gramm weniger alsdas konventionelle Produkt. Eingewichtiges Argument für Un-ternehmen, die immer mehrKomponenten in ein Fahrzeugpacken und dennoch leichterbauen wollen. Dass die Neuent-wicklung zugleich den Schall imWageninnenraum besserdämpft, ist ein weiterer Plus-punkt.

Indes seien es nicht nur dieVorzüge des Produkts, sondernauch die innovative Kombinationvon Produktionsschritten, für diesich die Industrie interessiere, soKolkmann. Da ist zum Beispieldie Herstellung einer stabilenTrägerstruktur aus Flachsgarn,die mit Polypropylenfasern um-mantelt wird. Oder ein kürzlichpatentiertes Verfahren, das einbesonders gleichmäßiges Faser-vlies erzeugt. Auch AlbrechtNick, Forscher bei dem weltweittätigen AutomobilzuliefererFaurecia, gibt sich optimistisch.Die natürliche Duftnote könnedie Markteinführung zwar verzö-gern. Letztlich entscheidend sei-en jedoch die handfesten Plus-punkte des „grünen“ Dachhim-mels: Gewichtsersparnis, bessereAkustik und die Ressourcenschonende Herstellung.

Autor:

Dr. Forstwiss. Thomas Früh istRedakteur der Pressestelle.

Thomas Früh

Neuer Himmel über dem LenkradNaturduft statt Kunstharzgeruch

D

103

BERICHTEAUS DERRHEINISCH-WESTFÄLISCHENTECHNISCHENHOCHSCHULEAACHEN

AUSGABE 2/2002

ISSN-NR.0179-079X

SciencesLifeSciences Life