Biologische Prozesse gezielt steuern, transportieren und messen

Funktionalisierte Biomaterialien, modulare Nanoroboter und hochsensitive Zellsensorik verfolgen ein gemeinsames Ziel: Sie ermöglichen die gezielte Beeinflussung, den Transport biologischer Funktionen und die Analyse biologischer Reaktionen. Für Entwickelnde in der Medizintechnik eröffnen sich dadurch neue Möglichkeiten, Zellen und Gewebe gezielt zu beeinflussen, Wirkstoffe präziser an ihren Einsatzort zu bringen und biologische Reaktionen in Echtzeit auszuwerten. Aktuelle Forschungen aus Deutschland, der Schweiz und den USA zeigen, wie diese Technologien die Grundlage für neue diagnostische und therapeutische Anwendungen schaffen könnten.

Forschende vom Fraunhofer IGB haben eine Plattform entwickelt, mit der sich Gelatine gezielt chemisch modifizieren lässt. Dadurch können Eigenschaften wie Viskosität, Löslichkeit, Ladung oder Vernetzbarkeit an unterschiedliche Anwendungen angepasst werden.

Im Bioprinting übernimmt das Material eine aktive Rolle: Die modifizierte Gelatine dient als strukturgebendes Gerüst für Zellen und unterstützt deren Adhäsion, Wachstum und Differenzierung. Im EU-Projekt TriAnkle wurde sie unter anderem als Trägersystem für Zellen und Wachstumsfaktoren eingesetzt. Darüber hinaus eignet sich das Material auch für diagnostische Anwendungen. In einem Point-of-Care-Schnelltest konnten funktionalisierte Gelatinehydrogele Reaktionskomponenten einbetten und Zielmoleküle gezielt binden.

Entscheidend für die medizinische Anwendung und die spätere industrielle Nutzung ist dabei die reproduzierbare Herstellung. Automatisierte Reaktorsysteme ermöglichen die standardisierte Produktion größerer Materialmengen mit definierten Eigenschaften. Das kann eine wichtige Grundlage bilden, um Biomaterialien mit konsistenten Eigenschaften in Anwendungen wie Gewebeersatz, regenerativen Therapien oder diagnostischen Systemen zu integrieren und zuverlässig zu validieren.

Während funktionalisierte Biomaterialien biologische Umgebungen beeinflussen, sollen Nanoroboter künftig noch direkter in zelluläre Prozesse eingreifen. Forschende der Universität Basel haben dafür ein modulares System entwickelt, das aus einem magnetischen Antriebsmodul und einer austauschbaren Nutzlastkapsel besteht.

Die Nutzlast kann Enzyme oder andere Wirkstoffe transportieren und gezielt an bestimmte Zelltypen bringen. Im Labor gelang es dem Team, die Nanoroboter an Krebszellen anzulagern und dort einen therapeutisch wirksamen Stoff lokal zu erzeugen. Die Lebensfähigkeit der untersuchten Zellen wurde dadurch deutlich reduziert.

Der Ansatz zeigt, wie solche Systeme künftig therapeutische Funktionen übernehmen könnten, indem sie biologische Prozesse gezielt am Zielort beeinflussen und sich über unterschiedliche Nutzlasten an verschiedene Anwendungen anpassen lassen. Nach Angaben der Forschenden lässt sich die Plattform durch den modularen Aufbau vergleichsweise einfach für weitere medizinische oder industrielle Einsatzfelder konfigurieren.

Damit sich die Wirkung solcher biologischen Interaktionen beurteilen lässt, werden neue Analyseverfahren benötigt. Forschende von Harvard SEAS haben dafür einen Pico-Kalorimeter entwickelt, der selbst kleinste Wärmesignale lebender Zellen erfassen kann.

Der mikrofluidische Sensor misst Stoffwechselaktivität direkt und in Echtzeit. Bereits kleine Bakterienpopulationen lassen sich dadurch überwachen, ebenso Veränderungen nach der Zugabe von Antibiotika. Im Gegensatz zu vielen etablierten Verfahren werden nicht indirekte Marker analysiert, sondern die tatsächlich entstehende Stoffwechselwärme. Dadurch können biologische Reaktionen deutlich früher sichtbar werden und Forschenden sowie Entwicklerteams ein unmittelbares funktionelles Feedback liefern.

Ob funktionalisierte Biomaterialien, modulare Nanoroboter oder hochsensitive Zellsensorik: Die Entwicklungen verfolgen ein gemeinsames Ziel. Medizintechnische Systeme sollen biologische Prozesse nicht nur erfassen, sondern gezielt beeinflussen und ihre Reaktionen unmittelbar messbar machen. Damit entstehen neue technologische Grundlagen für Diagnostik, Wirkstofftransport und regenerative Anwendungen.

Quellen: Harvard School of Engineering and Applied Sciences (EN), Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, Universität Basel