Aktuelles: Kommunikation mithilfe von Molekülen

Für das Projekt ERMES stellt die Europ?ische Union im Rahmen des hoch kompetitiven F?rderprogramms Horizont - EIC (European Innovation Council) Pathfinder Open - über einen F?rderraum von 36 Monaten mehr als 3,7 Millionen Euro zur Verfügung. Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines neuen Konzepts der Informationsübertragung für aktive implantierte Ger?te (Active Implantable Medical Device, kurz: AIMD). Aus Bayern beteiligt sind die Universit?t Regensburg (Prof. Dr. H?rteis), die TH Deggendorf (Prof. Dr. Aung) und die FAU Erlangen-Nürnberg (Dr. M. Sch?fer). ?Ihnen wurden mehr als ein Drittel der F?rdersumme bewilligt. Ein grandioser Erfolg. Von 1119 eingereichten Antr?gen wurden in diesem Jahr nur 40 bewilligt“, sagt Prof. Silke H?rteis, die das Regensburger Teilprojekt leitet. Weitere Partner des Verbundprojekts sitzen in Finnland und Frankreich. Die Federführung hat die Università di Catania in Italien. Neben den Universit?ten sind auch vier Firmen beteiligt.

Mit der Zunahme chronischer Erkrankungen wachsen auch die Einsatzm?glichkeiten für AIMDs mit denen fehlende oder defekte K?rperteile ersetzt, Medikamente verabreicht, K?rperfunktionen überwacht oder Organe und Gewebe unterstützt werden k?nnen. Bekannteste Beispiele für AIMDs sind technische Ger?te wie Herzschrittmacher oder implantierbare Defibrillatoren. Sie werden durch einen medizinischen oder chirurgischen Eingriff in den K?rper eines Patienten implantiert, um dort vor Ort für unbestimmte Zeit ihre Dienste zu verrichten. Solche Ger?te arbeiten autonom und müssen Daten nach au?en übertragen. Die eingeschr?nkte M?glichkeit, ihre Funktion zu steuern und zu überwachen stellt ein wesentliches Hemmnis für neue Entwicklungen dar. {web_name} liegt vor allem daran, dass AIMDs innerhalb des K?rpers, auf klassischen ?bertragungswegen wie etwa mittels elektromagnetischer Wellen, nur eingeschr?nkt les- und steuerbar sind. 

Um eine effiziente Kommunikation mit AIMDs zu gew?hrleisten, müssen neuartige Wege der Informationsübertragung zwischen den Ger?ten sowohl innerhalb als auch au?erhalb des K?rpers entwickelt und etabliert werden. In ihrem Projekt ERMES (INFORMATION TRANSFER BETWEEN MEDICAL DOCTORS AND IMPLANTED MEDICAL DEVICES VIA SYNTHETIC MOLECULAR COMMUNICATION) wollen die Projektpartner diese Lücke schlie?en. Ihr Ziel ist es, neuartige Kommunikations- und Sensor-Konzepte für AIMDs zu entwickeln. Sie bauen dabei auf drei S?ulen: 
1. das chemische Design und die Synthese geeigneter Botenstoffe  
2. die Entwicklung geeigneter Systeme, um die Botenstoffe über das Blutkreislaufsystem in den K?rper einzubringen
3. die Entwicklung von Nachweisstrategien für die entsprechenden Botenstoffe im Blutkreislauf.

Prof. Silke H?rteis vom Institut für Molekulare und Zellul?re Anatomie der Fakult?t für Biologie und Vorklinik an der Universit?t Regensburg nutzt dafür das sogenannte Chorion-Allantois-Membran (CAM)-Modell. Beim CAM-Modell ersetzt die Aderhaut von befruchteten Hühnereiern – auch Chorion-Allantois-Membran genannt – klassische Tierversuche. Es ist zudem kosteneffizient und zeitsparend. Die Forscherin hat bereits Erfahrungen mit dem Modell. Sie ist mit einem Teilprojekt am Transregio 374 ?Tubulussystem und Interstitium der Niere: (Patho-) Physiologie und Crosstalk“ beteiligt. Das Verbundprojekt zwischen der Universit?t Regensburg und der Friedrich-Alexander-Universit?t Erlangen-Nürnberg hat das Ziel, Einblicke in die Entstehung verschiedener Nierenerkrankungen zu bekommen. Mit dem CAM-Modell untersucht sie das Wachstum einer besonderen, schweren Form erblicher Nierenzysten und prüft vielversprechende Medikamente auf ihre Wirksamkeit.

Für das Projekt im Rahmen des Horizont-F?rderprogramms setzt Prof. H?rteis auf dasselbe Modell, nur mit einem v?llig anderen Ziel. N?mlich neuartige Informationssysteme für AIMDs zu entwickeln, bei denen Moleküle – also chemische Verbindungen – für die Kommunikation zwischen AIMDs innerhalb des K?rpers eingesetzt werden. {web_name}es noch relative neue Konzept der Informationsübertragung wird ?molekulare Kommunikation“ genannt. ?Die molekulare Kommunikation basiert auf Prinzipien aus der Natur und kodiert Informationen in dem sie unterschiedliche Konzentrationen oder Eigenschaften von Molekülen nutzt“, so Prof. H?rteis. 
Für die Kommunikation zwischen AIMDs und externen Ger?ten au?erhalb des K?rpers sind sogenannte Gateways erforderlich, die es erm?glichen, ein Signal aus dem K?rperinneren wie etwa eine bestimmte Molekülkonzentration (MK) in ein makroskopisches Signal wie etwa Licht oder elektromagnetische Wellen umzusetzen. {web_name}e Signale werden dann von externen Ger?ten empfangen und verarbeitet. 

Da die Anwendungen solcher neuartigen Konzepte vor allem in der Gesundheitsüberwachung und Behandlung von Krankheiten liegen, ist es wichtig, die Abh?rsicherheit der Kommunikation zwischen AIMDs und mit externen Ger?ten zu gew?hrleisten. Daher besch?ftigen sich die Forschenden auch mit der Entwicklung von neuartigen Konzepten zur abh?rsicheren Kommunikation zwischen AIMDs mittels MK und mit externen Ger?ten. 
?Die St?rke des Horizont-Projekts liegt unter anderem in seiner Interdisziplinarit?t. So besteht das Konsortium aus Experten im Bereich Chemie, Mikrofluidik, Kommunikationstechnik, Ethik, Biologie und Medizin“, sagt Prof. H?rteis. Die Forschung erfolgt in mehreren Stufen und beinhaltet die theoretische Entwicklung neuartiger Konzepte und Simulationsmethoden zur Kommunikation zwischen AIMDs sowie deren mehrstufige experimentelle Realisierung und Verbesserung. 

?ber das F?rderprogramm Horizont EIC Pathfinder Open 

Horizont Europa ist das Rahmenprogramm der Europ?ischen Union für Forschung und Innovation für 2021 bis 2027. Ziel ist eine wissens- und innovationsgestützte Gesellschaft und wettbewerbsf?hige Wirtschaft aufzubauen und zu einer nachhaltigen Entwicklung beizutragen (https://www.horizont-europa.de/de/Programm-1710.html (externer Link, ?ffnet neues Fenster)). Mit dem Pathfinder-Programm des Europ?ischen Innovationsrats (European Innovation Council EIC) sollen radikal innovative Technologien identifiziert werden, die das Potenzial haben, ganz neue M?rkte zu schaffen. Dazu werden vision?re und risikoreiche Projekte in einem frühen Entwicklungsstadium gef?rdert, bei denen über die Grundlagenforschung hinaus eine klare technologische Entwicklungsm?glichkeit besteht. Bei den Antragstellern, die an einem EIC-Pathfinder-Projekt teilnehmen, handelt es sich in der Regel um vision?re Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler und unternehmerisch denkende Forschende aus Universit?ten, Forschungseinrichtungen, Start-ups, Hightech-KMU oder um industrielle Akteure, die an technologischer Forschung und Innovation interessiert sind (https://eic.ec.europa.eu/eic-funding-opportunities/eic-pathfinder_en (externer Link, ?ffnet neues Fenster)). Das ?EIC Pathfinder Open“ erm?glicht eine themenoffene Beteiligung.