Thomas Scheper TCI Technische Chemie Institut für...TCI Technische Chemie Ziele: Entwicklung von Modellen, Technologien und Lösungen für Diagnostik, Wiederherstellung und Unterstützung

Thomas ScheperInstitut für Technische ChemieInstitut für Technische ChemieTCITCI

Künstliche Organe aus der RetorteLösungen für eine älter werdende Gesellschaft



Die Farben der Biotechnologie

Weiße Biotechnologie (industrielle BT)

Grüne Biotechnologie (landwirtschaftliche BT)

Blaue Biotechnologie (marine BT)

Gelbe Biotechnologie (Insekten BT)

Rote Biotechnologie (medizinische BT)


Medizinische Biotechnologie

• Wirkstoffe und Impfstoffe

• Regenerative Medizin / Implantate

• Gentherapie

Prof. Dr. Thomas ScheperInstitut für Technische ChemieInstitut für Technische ChemieTCITCI

Altersaufbau der Bevölkerung in Deutschland

Quelle: Statistisches Bundesamt, Wiesbaden, 2015

https://service.destatis.de/bevoelkerungspyramide/#!y=1955&v=2&o=2038v1

Hyperlink


Quelle: Bundesverband Medizintechnologie e.V.

Regenerative Medizin - ImplantateDentale

ImplantateOrthopädische

ImplantateHNO-

ImplantateKardiovaskuläre

Implantate

1.000.000 400.000 120.000 150.000


Pro Jahr in Deutschland eingesetzte Implantate

Quelle: Die Welt Infografik, 2016


Prognose zum weltweiten Umsatz mit regenerativer Medizin in den Jahren 2016 bis 2025 (in Milliarden Euro)

Hinweis: Weltweit; 2017Quelle: Roland Berger, © Statista 2018

18 20 23 2631

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2016 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025

Um

satz

in M

illiar

den

Euro

Seite 2


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


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?“


Regenerative Medizin - Tissue Engineering

Knorpelzellen auf KollagenmatricesRekonstruktion einer Ohrmuschel


Herzklappe(Gerüst von Rind oder Schwein)

Blutgefäße

Regenerative Medizin - Tissue Engineering


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


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


Stammzellen – Was ist denn das?


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


Stammzellen

Embryonale Stammzellen (ESCs) Induzierte PluripotenteStammzellen (iPSCs)

Mesenchymale Stammzellen(MSCs)

Adulte ZellenEmbryonale Zellen

Pluripotente Stammzellen Multipotente Stammzellen

Eventuell Bedenklich (Genmanipulation/embryonaler Ursprung)

Unbedenklich


Differenzierung von mesenchymalen Stammzellen

Mesenchymale Stammzelle

Proliferation

Differenzierung

Knochenzellen

FettzellenKnorpelzellen

Muskelzellen

NeuronenLeberzellen


Beispiel: Knochen

MSC Kultur Matrix bone tissue

Knochenmark

Fettgewebe

Nabelschnur

Spinnerflasche

Perfusionsreaktor

Rotierende Systeme

Mechanische Stimulierung

Reprogrammierung

i PS



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


Züchtung und Vermehrung von Zellen



Biomaterialien

Biomaterialien

NatürlichKollagen

FibrinSeide

PolysaccharideDezellularisierte Gewebe

(Knochen, Gefäße)

SynthetischPolymereHydrogeleKompositeKeramiken

Möglichst: biokompatibel oder bioabbaubar


Keramische Grundkörper

SponceramZrO2

OssoliveGlaskeramik


Keramiken

- Mikroporöse Struktur besteht aus dotiertem ZrO2

- Hydroxylapatit Beschichtung

- Verschiedene Porengrößen

200 µm

REM


Begasung Medium

Welle

Pumpe

Analytik

Fütterungsrohr

Abluft

Sponceram -Scheiben®

Medium

Zellen und Matrix im Bioreaktor

Zellen werden auf Trägern gezüchtet


Zellen und Matrix wachsen zusammen


Keramik-Zell-Konstrukt


Beobachtung des Prozesses


Anwendungen, z.B.

Biopolymere für die Biomedizin

MaterialStrukturproteine der ECM, z.B.ElastinKollagenFibronectinLaminin Fibrin

QuellenTierische Knochen, Haut, Blut

Cell-based therapyTissue EngineeringDrug deliveryOberflächenmodifizierung


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


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


Biotechnologische Herstellung

Rekombinante Herstellungvon ECM-Bestandteilen in MikroorganismenIn rekombinanten BakterienIn rekombinanten Hefen

VorteileGute VerfügbarkeitVirusfrei/PathogenfreiEinheitliche Qualität Definierte MaterialeigenschaftenNeue Materialeigenschaften durch Design


Biopolymere


3-D-Druck Verfahren



Herstellung der Strukturen


Herstellung der Strukturen


Gezieltes Aufbringen von Zellen: Zelldrucken


Nichtinvasive Überprüfung der Implantate


Zellen: BMSCs

Frequenz: 1 Hz

Elongation: 5 %

Kurzzeitstimulation:•15 min•60 min

Langzeitstimulation:•3×8 h

Fitnesskammern für die Gewebeimplantate



Reaktor für „Knorpel-Training“


Reaktor zur Züchtung und Lagerungvon Hornhäuten


2D-Zellkult

ur

3D-Zellkult

ur

Nicht invasive Beobachtung


2D-cell culture

3D- cellculture

Nicht invasive Beobachtung


Reaktor für Blutgefäße




Konstruktionsplan des Pulswellen-Bioreaktors mit intra- und extratubulärer Zirkulation, Pumpe,

Messzellen und Anordnung der weiteren Sensorik Sensorik

Simulation





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



Herstellen Fertigung BeobachtungKultivierungMaterialien Fertigung der

GrundkörperAnalyse der Herstellung

Aufgabe aus der Klinik:

Knochenimplantat

Funktionales Gewebeimplantat

für die Klinik


BIOFABRICATION


Wie könnte die Herstellung aussehen?

Personenschleuse

Vorbereitung Analyse VerpackungAusgang

Reaktoren

Medien/Lagerung

Dokumentation

Materialschleuse

1

2

34

OP

Brutschränke

Schleuse


Prozessleitsystem

Knochenimplantate Dialyseshunts Herzklappen

DCU DCU DCU

Mess- undRegeleinheit



Das Ziel



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



NIFE

NIFE

Hannover

LZHLZH

Elektrotechnik, LUH

Chemie, LUHPhysik, LUH

MHH

HMTMH


Es ist ein weiter Weg – aber er lohnt sich!


Thank you very much for your attention!

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