Thomas ScheperInstitut für Technische ChemieInstitut für Technische ChemieTCITCI
Künstliche Organe aus der RetorteLösungen für eine älter werdende Gesellschaft
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Die Farben der Biotechnologie
Weiße Biotechnologie (industrielle BT)
Grüne Biotechnologie (landwirtschaftliche BT)
Blaue Biotechnologie (marine BT)
Gelbe Biotechnologie (Insekten BT)
Rote Biotechnologie (medizinische BT)
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Medizinische Biotechnologie
• Wirkstoffe und Impfstoffe
• Regenerative Medizin / Implantate
• Gentherapie
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Altersaufbau der Bevölkerung in Deutschland
Quelle: Statistisches Bundesamt, Wiesbaden, 2015
https://service.destatis.de/bevoelkerungspyramide/#!y=1955&v=2&o=2038v1
Hyperlink
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Quelle: Bundesverband Medizintechnologie e.V.
Regenerative Medizin - ImplantateDentale
ImplantateOrthopädische
ImplantateHNO-
ImplantateKardiovaskuläre
Implantate
1.000.000 400.000 120.000 150.000
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Pro Jahr in Deutschland eingesetzte Implantate
Quelle: Die Welt Infografik, 2016
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Prognose zum weltweiten Umsatz mit regenerativer Medizin in den Jahren 2016 bis 2025 (in Milliarden Euro)
Hinweis: Weltweit; 2017Quelle: Roland Berger, © Statista 2018
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Nachteile sind:- Implantate sind nicht körpereigen
- Die Gefahr von Infektionen ist hoch
- Nicht für alle Defekte gibt es Implantate
Wünschenswert sind:- Gewebeimplantate, die patientenspezifisch sind
- Gewebeimplantate, die körpereigen werden
- Gewebeimplantate, die die Gewebefunktion voll
übernehmen
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Venenklappen:
- In Deutschland leiden 5% der Bevölkerung an
einer Insuffizienz der tiefen Beinvenen.
- Acht Jahre früher in Rente, ca. 2 Monate pro Jahr
arbeitsunfähig.
- Pro Jahr ca. 4 Wochen im Krankenhaus, ca 1,2 Mrd.
Euro pro Jahr
„Brauchen wir solche Implantate?“
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Regenerative Medizin - Tissue Engineering
Knorpelzellen auf KollagenmatricesRekonstruktion einer Ohrmuschel
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Herzklappe(Gerüst von Rind oder Schwein)
Blutgefäße
Regenerative Medizin - Tissue Engineering
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Lebenswissenschafteninklusive
Zell-, Molekular-, Entwicklungsbiologie,molekulare Genetik, Biochemie
Immunologie
Tissue Engineering
ZellkulturtechnikMaterialwissenschaftenBioverfahrenstechnik
Klinische Disziplinenmedizinische Grundlagenfächer
experimentelle Chirurgie
• Ziel: in vitro Generation von vitalem autologen Gewebe zurRekonstruktion geschädigten Gewebes, zur Erhaltung oderVerbesserung der Funktion geschädigter oder erkrankterOrgane
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Herstellung von patientenspezifischen Implantaten
Neuronen
HornhautEndothelgewebe/Blutgefäße
Haut
Herzklappen
Niere
MilzLeber
Muskeln
Knochen
Knorpel
Bauchspeicheldrüse
Knochenmark
Zellen * Matrix** “In-vitro”Kultivierung
*Gewebezellen, Stammzellen oder embryonale Stammzellen (autolog oder allogen)
**Natürlich, synthetisch oder xenogen***statisch, unter Rühren oder dynamische Fließbedingungen
Patient
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Stammzellen – Was ist denn das?
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Stammzellarten
Pluripotente Stammzellen Zellen, die in alle Zelltypen differenzieren, jedoch keinen kompletten Organismus mehr ausbilden können
Multipotente StammzellenZellen, die sich nur noch innerhalb ihrer Gruppe differenzieren.
Totipotente Stammzellen (Omnipotente Stammzellen) Zellen, die einen kompletten Organismus ausbilden und sich damit noch in alle denkbaren Zelltypen differenzieren können
Oligopotente StammzellenZellen, die sich noch in einige wenige Zelltypen differenzieren können
Unipotente StammzellenZellen, die sich nur in einen Zelltyp differenzieren
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Stammzellen
Embryonale Stammzellen (ESCs) Induzierte PluripotenteStammzellen (iPSCs)
Mesenchymale Stammzellen(MSCs)
Adulte ZellenEmbryonale Zellen
Pluripotente Stammzellen Multipotente Stammzellen
Eventuell Bedenklich (Genmanipulation/embryonaler Ursprung)
Unbedenklich
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Differenzierung von mesenchymalen Stammzellen
Mesenchymale Stammzelle
Proliferation
Differenzierung
Knochenzellen
FettzellenKnorpelzellen
Muskelzellen
NeuronenLeberzellen
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Beispiel: Knochen
MSC Kultur Matrix bone tissue
Knochenmark
Fettgewebe
Nabelschnur
Spinnerflasche
Perfusionsreaktor
Rotierende Systeme
Mechanische Stimulierung
Reprogrammierung
i PS
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Herstellungsverfahren(Differenzierungsfaktoren , Wachstumsfaktoren, Hormone, etc.)
Spende ausBeckenknochen
oder Fett
Knochen(Osteoblasten)
Knorpel(Chondrozyten)
Fett(Adipocyten)
Sehnen(Fibroblasten)
Muskel(Myoblasten)
Bone Marrow Stroma Cells BMSCoder
Adipose derived stem cells adSCoder
iPS Zellen
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Züchtung und Vermehrung von Zellen
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Biomaterialien
Biomaterialien
NatürlichKollagen
FibrinSeide
PolysaccharideDezellularisierte Gewebe
(Knochen, Gefäße)
SynthetischPolymereHydrogeleKompositeKeramiken
Möglichst: biokompatibel oder bioabbaubar
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Keramische Grundkörper
SponceramZrO2
OssoliveGlaskeramik
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Keramiken
- Mikroporöse Struktur besteht aus dotiertem ZrO2
- Hydroxylapatit Beschichtung
- Verschiedene Porengrößen
200 µm
REM
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Begasung Medium
Welle
Pumpe
Analytik
Fütterungsrohr
Abluft
Sponceram -Scheiben®
Medium
Zellen und Matrix im Bioreaktor
Zellen werden auf Trägern gezüchtet
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Zellen und Matrix wachsen zusammen
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Keramik-Zell-Konstrukt
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Beobachtung des Prozesses
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Anwendungen, z.B.
Biopolymere für die Biomedizin
MaterialStrukturproteine der ECM, z.B.ElastinKollagenFibronectinLaminin Fibrin
QuellenTierische Knochen, Haut, Blut
Cell-based therapyTissue EngineeringDrug deliveryOberflächenmodifizierung
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Herstellung ECM Proteinen
Kollagen Irechtsdrehende Tripelhelix: (Gly-X-Y-Motif)Strukturprotein in Knochen, Sehnen, Haut Anwendungen: poröse Matrices, Hydrogele, Schwämme
FibrinogenGlykoprotein aus 3 gespiegelten KettenVorläufer für FibrinAnwendungen: Fibrin-”Kleber”, vaskuläre grafts
Probleme Immunologisch, Qualitätsunterschiede, Infektionsrisiko, Verfügbarkeit
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Unsere Strategie
Auswahl einer Teilsequenze.g. eine Kette (αCol), FGG
Klonierung im Produktionsstamm
Produktion und GewinnungBioprozesstechnik
Chemische ModifikationMit Ziel: Polymerisation durch Licht, Temperatur, usw.
Fertiges ProduktQuervernetzte, biologisch aktive Struktur
α1Col
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Biotechnologische Herstellung
Rekombinante Herstellungvon ECM-Bestandteilen in MikroorganismenIn rekombinanten BakterienIn rekombinanten Hefen
VorteileGute VerfügbarkeitVirusfrei/PathogenfreiEinheitliche Qualität Definierte MaterialeigenschaftenNeue Materialeigenschaften durch Design
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Biopolymere
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3-D-Druck Verfahren
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Herstellung der Strukturen
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Herstellung der Strukturen
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Gezieltes Aufbringen von Zellen: Zelldrucken
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Nichtinvasive Überprüfung der Implantate
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Zellen: BMSCs
Frequenz: 1 Hz
Elongation: 5 %
Kurzzeitstimulation:•15 min•60 min
Langzeitstimulation:•3×8 h
Fitnesskammern für die Gewebeimplantate
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Reaktor für „Knorpel-Training“
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Reaktor zur Züchtung und Lagerungvon Hornhäuten
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2D-Zellkult
ur
3D-Zellkult
ur
Nicht invasive Beobachtung
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2D-cell culture
3D- cellculture
Nicht invasive Beobachtung
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Reaktor für Blutgefäße
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Reaktor für Blutgefäße
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Konstruktionsplan des Pulswellen-Bioreaktors mit intra- und extratubulärer Zirkulation, Pumpe,
Messzellen und Anordnung der weiteren Sensorik Sensorik
Simulation
Reaktor für Blutgefäße
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Reaktor für Blutgefäße
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Enabling TechnologiesBioreaktortechnik
Analytik
Mediumdesign
Aufarbeitung
Mess- und Regelungstechnik
Imaging
Mikroarraytechnik, Robotik
Werkstoffe, Biomaterialien
GLP, GMP
Bioinformatik
Systembiologie
“Prallgefüllte Werkzeugkiste des Bioengineering“
Andreas KirschningInstitut für Organische ChemieInstitut für Organische ChemieOCIOCI
Herstellen Fertigung BeobachtungKultivierungMaterialien
BIOFABRICATION
Fertigung der Grundkörper
Analyse der Herstellung
Aufgabe aus der Klinik:
kardiovaskuläre Implantate
Funktionales Gewebeimplantat
für die Klinik
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Herstellen Fertigung BeobachtungKultivierungMaterialien Fertigung der
GrundkörperAnalyse der Herstellung
Aufgabe aus der Klinik:
Knochenimplantat
Funktionales Gewebeimplantat
für die Klinik
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BIOFABRICATION
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Wie könnte die Herstellung aussehen?
Personenschleuse
Vorbereitung Analyse VerpackungAusgang
Reaktoren
Medien/Lagerung
Dokumentation
Materialschleuse
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2
34
OP
Brutschränke
Schleuse
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Prozessleitsystem
Knochenimplantate Dialyseshunts Herzklappen
DCU DCU DCU
Mess- undRegeleinheit
Mess- undRegeleinheit
Mess- undRegeleinheit
Das Ziel
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Ziele: Entwicklung von Modellen, Technologien und Lösungen für Diagnostik, Wiederherstellung und Unterstützung des Hörens
November 2012, Förderung des Exzellenzclusters im Rahmen der Exzellenzinitiative der DFG mit 28 Mio. € über 5 Jahre
antragstellende Hochschulen
weitere Partner:Deutsche HörZentrum HannoverHörzentrum Oldenburg GmbHHörTech gGmbHHanse-Wissenschaftskolleg DelmenhorstKompetenzzentrum HörTech Oldenburg Laser Zentrum Hannover e.V.Jade Hochschule Oldenburg Fraunhofer Projektgruppe Hör-, Sprach- und Audiotechnologie Verbundinstitut für Audio- und Neurotechnologie VIANNA Hannover
Exzellenzcluster Hearing4all
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NIFE
NIFE
Hannover
LZHLZH
Elektrotechnik, LUH
Chemie, LUHPhysik, LUH
MHH
HMTMH
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Es ist ein weiter Weg – aber er lohnt sich!
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Thank you very much for your attention!