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Der Huchen, die Rodl und ein Tumorzellenschredder

Es begann mit dem Schutz von Fischen an der Großen Rodl – und am Ende stand ein an der JKU entwickelter Prototyp einer
Maschine, die die Metastasierung von Krebs im menschlichen Körper eindämmen könnte. Wie das eine zum anderen kam? Eine Chronologie.

Von Markus Staudinger

Die Fische in Walding

An der historischen Griesmühle in Walding, die mittlerweile ein Wohngebäude ist, betreibt der Bauingenieur Kurt Priesner zwei Turbinen, eine davon arbeitet nach dem Prinzip einer archimedischen Schraube. Die kennt man auch von Kinderspielplätzen: Es ist diese drehbare Wasserschnecke, mithilfe derer man Wasser schräg nach oben pumpen kann – oder im Fall des Kraftwerks hinabfließen lassen und so Energie erzeugen kann.

Die Rodl gilt als potenzielles Huchen-Gebiet. Damit sich weder der seltene Huchen noch die vielen anderen Fische (Forellen, Aitel, Rotfedern etc.), die in der Rodl leben, beim Fischabstieg verletzen, wird für Priesners Kraftwerk eine Wasserkraftschnecke entwickelt, die sich durch hohe Fischverträglichkeit auszeichnet.

Was im Großen funktioniert, kann auch im Kleinen funktionieren, denkt der Diplomingenieur. Eine archimedische Schraube, die Fische heil lässt, könnte sich auch für eine kleine Herzpumpe eignen, die die Blutkörperchen heil lässt. Gemeinsam mit Expert*innen der FH Wels und der Johannes Kepler Universität Linz, darunter Biomechatronik-Professor Werner Baumgartner, entwickelt er ein Modell. Bei den Herstellern von Herzpumpen stößt die neue Methode aber nur bedingt auf Interesse. 

Onkologe in Basel 

An der Universität Basel forscht der Onkologe Nicola Aceto an der Eindämmung von Tumor-Metastasen. 90 Prozent der durch Krebs verursachten Todesfälle gehen nicht auf den primären Tumor, sondern auf Absiedlungen, also Metastasen, zurück. Könnte man die bösartigen Zellen auf ihrem Weg vom Ausgangstumor über ihre Verbreitung in der Blutbahn bis zum erneuten Anwachsen in Zielorganen wie Leber und Lunge abfangen, wäre viel erreicht. Einer der Ansätze, die der Schweizer Aceto verfolgt, ist, die zirkulierenden Tumorzellen- Cluster in der Blutbahn anzugreifen.

Im Internet stößt Priesner auf einen Vortrag Acetos. Ihm kommt eine Idee. Das Herzpumpen-Modell könnte dazu verwendet werden, diese Tumorzellen- Cluster zu zertrümmern – und zwar, wenn es gelänge, in der Schraube einen gleichmäßigen „Scherstress“ zu erzeugen (mehr dazu später). Er wendet sich neuerlich an Werner Baumgartner, den Leiter des Instituts für Medizin und Biomechatronik an der Linzer Kepler-Uni. Gemeinsam starten sie den Entwicklungsprozess. 

Medizin und Technik an der JKU 

Dafür ist Baumgartner der Richtige. Er hat an der JKU Mechatronik studiert. Es ist ein Fachgebiet, das Aufgabenstellungen mit Werkzeugen aus verschiedenen Disziplinen zu lösen versucht – aus dem Maschinenbau, der Elektronik, der Informatik. Warum nicht auch aus der Biologie, denkt Baumgartner schon während des Studiums. Am Institut für Biophysik der JKU schreibt er seine Doktorarbeit. Zwischendurch forscht er auch an der Universität Yale. Nach der Dissertation hat er sofort eine Assistentenstelle an der Universität Würzburg – und zwar an der Medizinischen Fakultät, wo er sich für Zelluläre Biophysik habilitiert. Es folgt eine Professur für zelluläre Neurobionik in Aachen, 2013 kehrt Baumgartner als Professor für Medizin- und Biomechatronik an die JKU zurück.

Der „Scherstress“: Priesner und Baumgartner machen sich an die Arbeit, sie nehmen auch Kontakt mit Aceto in Basel auf. Es kommt zu mehreren Treff en. Bevor man sich aber der Flüssigkeitsscherung widmet, gilt es noch ein Problem zu lösen. Die Pumpfunktion des ursprünglich als Herzpumpe konzipierten Geräts muss neutralisiert werden. „Wir können ja ins Herz-Kreislauf-System keine zusätzliche Pumpe einbauen“, sagt Baumgartner. „Das würde Hypotonie aufbauen.“ Die Neutralisierung bewerkstelligen sie mit einer nachgeschalteten, mitrotierenden Drossel. „Die Pumpe tut so, als wäre sie nicht da“, sagt Baumgartner. Der natürliche Blutstrom wird nicht beeinträchtigt, gleichzeitig wird die Flüssigkeit geschert.

Worum handelt es sich bei der Scherung genau? Zur Veranschaulichung möge man sich zwei Glasplatten vorstellen, zwischen denen sich ein etwa ein Millimeter dünner Flüssigkeitsfilm befindet. Nun verschiebt man die obere Glasplatte, während die untere bleibt, wo sie ist. Der Flüssigkeitsbereich, der der oberen Glasplatte anhaftet, verschiebt sich stärker als jener, der der unteren Platte anhaftet. Befindet sich in der Mitte der Flüssigkeit ein festes Objekt – etwa ein Tumorzellen-Cluster – so wird der (im Fall der Tumorzellen idealerweise) zerrieben.

 Von Blut- und Tumorzellen 

Die Kunst besteht freilich darin, nicht gleichzeitig Blutzellen zu zerreiben. Ein erster Praxistest mit dem Gerät, unterstützt vom Onkologen Aceto, verläuft positiv. Es kommt sogar zu einer unerwarteten Überraschung. „Wir haben Blut mit Tumorzellen-Cluster durch das Gerät gejagt“, sagt Baumgartner, „und haben festgestellt, dass nicht nur die Cluster zertrümmert werden, sondern auch die Tumorzellen selbst zerstört werden. Gleichzeitig wurden in den ersten Versuchen Blutzellen, wie etwa weiße und rote Blutkörperchen, nicht geschädigt.“ Das liege wohl auch daran, dass Blutzellen an einen gewissen Scherstress angepasst seien, sagt Baumgartner. „Sie sind darauf ausgelegt, sich ständig in einem Flüssigkeitsstrom zu befinden und durch enge Gefäße zu strömen. Für Tumorzellen gilt das nicht.“

Von diesem Ansatz zeigt sich auch Clemens Schmitt, Professor an der Medizinischen Fakultät der JKU und Leiter der Uni-Klinik für Hämatologie und Internistische Onkologie, beeindruckt. „Tumore grundsätzlich an einer Ausbreitung durch Metastasierung zu hindern, wäre ein enormer Durchbruch“, sagt Schmitt. „Professor Baumgartner und sein Team konnten experimentell zeigen, dass Krebszellen gegenüber mechanischen Scherkräften verwundbarer als normale, gesunde Blutzellen sind.“ 

Die nächsten Schritte 

Bis zu einer Anwendbarkeit an Patientinnen und Patienten ist es freilich noch weit. „Hier wird aber ein Weg aufgezeigt, der in Folgestudien konsequent weiter beschritten werden sollte“, sagt Schmitt. Was derzeit aber an der mangelnden Finanzierung scheitert. „Wir kriegen partout keine Förderung für das Projekt“, sagt Baumgartner. Mehrere Anträge bei Fördereinrichtungen wie dem Wissenschaftsfonds FWF oder der Forschungsförderungsgesellschaft FFG seien abgelehnt worden.

Einer der nächsten Schritte wäre der Aufbau eines Prüfstandes, um gerinnungsfähiges Vollblut in einem Langzeittest mehrere Tage durch den Schredder zirkulieren zu lassen. „Doch der Aufbau eines solchen Prüfstandes ist teuer und bedarf Finanzierung“, sagt Baumgartner. Gleichzeitig würden Förderanträge unter anderem mit dem Argument abgelehnt, es gebe noch keine Langzeitergebnisse. „Das macht es natürlich schwierig“, sagt Baumgartner „Das heißt, wir können im Moment nichts machen – und das ist schade.“ 

NEWS 11.09.2020

Visionen

Erschienen in Ausgabe 3/2020