Ein Kind, das nur eine statt fünf Herz-Operationen braucht. Ein blinder Mensch, der wieder sehen kann. Für Professor Fabian Kießling und Laura De Laporte, Sprecher und Co-Sprecherin des Clusters TransMedMat sind das keine Science-Fiction-Szenarien, sondern konkrete Ziele. Mit dem Exzellenzcluster ,,Transformative Medical Materials: Design, Production, Translation" (TransMedMat) wollen sie Materialien entwickeln, die medizinische Probleme lösen, für die es bisher keine Therapie gibt - und dafür sorgen, dass diese Lösungen tatsächlich bei den Patientinnen und Patienten ankommen. Die Mission des Clusters besteht in der Entwicklung neuartiger Materialien, die sich an biologische Schnittstellen anpassen und aktiv mit dem Körper interagieren können.
Was ist das zentrale medizinische Problem, das TransMedMat adressieren will?
Fabian Kießling: Viele Krankheiten sind nach wie vor nicht heilbar. Hinzu kommt, dass viele therapeutische Systeme vom Körper als Fremdkörper erkannt und abgestoßen werden. Der aktuelle Ansatz zielt meist darauf ab, die Biokompatibilität zu verbessern - also dafür zu sorgen, dass diese Systeme den Körper möglichst wenig stören. Doch das reicht nicht aus. Der menschliche Körper befindet sich in einem ständigen Umbauprozess. Deshalb brauchen wir synthetische oder halbsynthetische Therapiesysteme, die sich ebenfalls dynamisch anpassen können - Systeme, die mit dem Körper in beide Richtungen kommunizieren. Genau solche intelligenten, anpassungsfähigen Materialien wollen wir mit TransMedMat entwickeln. Aachen gehört in den Materialwissenschaften seit Langem zur Spitzengruppe der deutschen Universitäten - das verschafft uns ein klares Alleinstellungsmerkmal. Der signifikante Unterschied zu anderen Forschungsvorhaben ist aber insbesondere diese bilaterale Kommunikation der Materialien, das gibt es bisher so noch nicht.
Laura De Laporte: Wenn man Heilungsprozesse im Körper wirklich gezielt steuern will, braucht es zu unterschiedlichen Zeitpunkten unterschiedliche Signale. Unser Ziel ist es, ein Materialsystem zu schaffen, das auf verschiedene, z. B. innere Reize reagiert oder sich von außen steuern lässt, um sich an die Bedürfnisse der lebenden Umgebung anzupassen, sowie Moleküle freizusetzen, die Struktur zu ändern oder die Zellen elektrisch zu stimulieren. So könnten wir den Heilungsverlauf gezielt lenken oder verlorene Funktionen wieder langfristig herstellen. Solche flexiblen Therapien fehlen heute noch.
Gibt es konkrete Beispiele für die Anwendung transformativer Materialien?
Kießling: Ein Beispiel ist die Herzklappe bei Kindern: Herkömmliche künstliche Herzklappen wachsen nicht mit dem Kind mit. Deshalb sind wiederholte Operationen notwendig, um jeweils größere Klappen einzusetzen. Transformative Materialien könnten diese Anpassung selbstständig leisten - eine einzige Implantation würde genügen.
Ein anderes Beispiel ist ein Sensor im Gehirn, der bei Epilepsie frühzeitig pathologische Nervenimpulse erkennt und automatisch gegensteuert - bevor ein Anfall auftritt. Oder eine künstliche Retina, die blinden Menschen das Sehen wieder ermöglicht: Transformative Materialien könnten hier eine echte, bidirektionale Kommunikation zwischen Nervenzellen und technischen Komponenten ermöglichen - vergleichbar mit der natürlichen Funktion des Auges.
De Laporte: Transformative Materialien stellen einen vielversprechenden Ansatz dar, um die Herausforderungen der Rückenmarksregeneration zu adressieren - insbesondere im Zusammenhang mit der Führung regenerierender Neuronen in die richtige Richtung über die Verletzungsstelle und der Überwindung des ,,Candy-Store-Effekts". Das erste Problem würde durch die Strukturierung des Materials nach der Injektion mit Hilfe von Magnetfeldern gelöst werden. Der ,,Candy-Store-Effekt" tritt auf, wenn Wachstumsfaktoren wie GDNF (Glial Cell Line-Derived Neurotrophic Factor) an der Verletzungsstelle freigesetzt werden und das gerichtete Wachstum der Nervenbahnen in das Rückenmark und die Verbindung zu anderen Nervenzellen verhindern. Das Resultat ist eine fehlende Funktion. An dieser Stelle können transformative Materialien innovative Lösungen bieten. Sie ermöglichen die gezielte und kontrollierte Freisetzung von Wachstumsfaktoren, um zum richtigen Zeitpunkt die erforderlichen Gradienten zu erzeugen und die wachsenden Nervenfasern aus der Verletzungsstelle herauszuführen. Gleichzeitig tragen diese Materialien dazu bei, Entzündungen und Narbenbildung zu verringern, was ebenfalls die Regeneration unterstützt. Insgesamt eröffnen sie neue, individuell anpassbare Möglichkeiten für die Behandlung solcher schweren Verletzungen.
Neben solchen in vivo-Anwendungen - also direkt im Körper - arbeiten wir auch an in vitro-Modellen, also Testsystemen außerhalb des Körpers. Diese spielen vor allem in der Medikamentenforschung eine wichtige Rolle. Ziel ist es, realitätsnahe Modelle zu entwickeln, die den menschlichen Körper möglichst genau abbilden. Durch die Entwicklung komplexer, repräsentativer in vitro-Modelle wollen wir einen maßgeblichen Beitrag zur Reduzierung von Tierversuchen leisten. Gleichzeitig werden dadurch zuverlässigere Aussagen darüber ermöglicht, ob ein Therapieansatz tatsächlich auch beim Menschen wirkt - bevor klinische Studien starten.
Welches Potenzial hat TransMedMat für die Patientenversorgung?
Kießling: Wenn ein Patient, der bisher blind war, wieder sehen kann oder ein Kind statt fünf nur eine Herzoperation braucht, dann ist das ein wesentlicher medizinischer Fortschritt: weniger Risiko, bessere Lebensqualität, geringere Kosten für das Gesundheitssystem. Genau das ist unser Ziel - sehr konkrete, klinisch definierte Verbesserungen. Auch gemäß dem angesprochenen Translationsaspekt definieren wir sehr scharf, was wir klinisch erreichen wollen. Der Nutzen für die Patientinnen und Patienten steht bei uns im Zentrum aller Überlegungen. Genau das treibt mich auch persönlich an. Forschung wird zu großen Teilen durch Steuergelder finanziert - das verpflichtet. Ich sehe es als unsere Aufgabe, etwas zurückzugeben, das dem Einzelnen im Alltag nützt. Das ist mein Anspruch: sinnvolle Forschung mit gesellschaftlichem Impact.
De Laporte: Alle Krankheiten, die wir adressieren, stellen bisher unlösbare medizinische Probleme dar. Zwar existieren symptomatische Therapien - aber keine wirkliche Heilung. Unsere Annahme ist, dass die bisherigen Materialien schlicht nicht transformativ genug waren. Die material-basierten Plattformtechnologien lassen sich vielfältig einsetzen und wir planen konkrete Anwendungen im neuro-sensorischen, kardiovaskulären und onkologischen Themenfeld. Wenn unser Ansatz gelingt, hat das einen immensen Impact - auf die Medizin, auf die Gesellschaft und vor allem auf die betroffenen Menschen.
Wie gelingt es, diese vielversprechenden Ideen aus dem Labor tatsächlich in die medizinische Praxis zu überführen?
Kießling: Der viel zitierte ,,from bench to bed"-Ansatz ist in diesem Bereich oft schwer umzusetzen. Häufig bleibt es bei ,,from bench to publication - and to nowhere". Selbst gute Ideen mit viel Potenzial scheitern oft am Schritt in die klinische Anwendung, weil der Weg dorthin nicht klar ist oder nicht von Anfang an mitgedacht wurde. Gerade in einem Feld wie diesem, das auch lebende oder adaptive synthetische Komponenten umfasst, ist die Translation besonders herausfordernd. Wir denken Produktion, Translation und Transfer von Beginn - beim Materialdesign - mit. Dafür planen wir in Aachen gezielt Strukturen aufzubauen und wollen perspektivisch einen starken Translational Hub Aachen for Medical Materials (THAMM) etablieren. Unser Ziel ist es, den Forschenden von Anfang an zu vermitteln, wie sich ihre Entwicklungen in konkrete Anwendungen für Patientinnen und Patienten überführen lassen. Die RWTH hat große Expertise im Bereich Transfer - inklusive Skalierung und Implementierung - und hebt sich dadurch deutlich von anderen Standorten ab.
De Laporte: Translation ist darüber hinaus bei uns auch selbst ein Forschungsthema. Denn bei neuartigen Materialien treten viele bislang ungeklärte regulatorische und ethische Fragen auf. Eine enge Zusammenarbeit mit den Forschenden sowie mit Prüfstellen und Behörden ist deshalb essenziell. Für neue Materialien braucht es oft auch neue regulatorische Rahmenbedingungen - und die müssen wir erst erforschen und aktiv mitgestalten. Es ist eben nicht nur Translation, sondern es müssen erstmal Regeln gemacht werden, wie diese Dinge überhaupt zu translatieren sind. Prüfstellen forschen nicht selbst, also müssen wir fundierte Vorschläge liefern. Das ist ein eigenständiger wissenschaftlicher Prozess, den man nicht unterschätzen darf.
Wie binden Sie diese gesellschaftlichen und ethischen Perspektiven in Ihre Arbeit ein?
De Laporte: Wir arbeiten eng mit Patientenvertretungen zusammen, die uns ihre Unterstützung zugesichert haben. Sie beraten uns bei der Entwicklung unserer Systeme und helfen dabei, tatsächliche Bedarfe zu identifizieren. Wir sprechen also nicht nur mit Forschenden und mit Ärztinnen und Ärzten, sondern von Anfang an auch mit den Patientinnen und Patienten selbst - das ist uns enorm wichtig. Denn ohne deren Mitwirkung und Überzeugung macht eine Weiterentwicklung keinen Sinn. Wenn Patientinnen und Patienten unsere Systeme nicht akzeptieren oder sogar Ängste entwickeln, ist eine erfolgreiche klinische Einführung kaum möglich. Deshalb suchen wir frühzeitig den Dialog, klären auf und beziehen diese Perspektiven aktiv in unsere Entwicklungsprozesse ein.
Das Leitmotiv des Clusters ist ,,Design, Production, Translation". Das lässt die Vermutung zu, dass ein durchgehender Prozess mit verschiedenen Disziplinen vom Design der Materialien bis zur Translation in die Klinik angestrebt wird. Wie arbeiten die verschiedenen Disziplinen im Cluster zusammen?
Kießling: Wir sind in TransMedMat nicht rein materialfokussiert, sondern denken ganzheitlich. Interdisziplinarität ist ein zentrales Prinzip des Clusters. Die Materialien allein reichen beispielsweise nicht, neben der (bio-)medizinischen Seite braucht es auch ein System, um die entwickelten Materialien zu produzieren. Und dafür wiederum brauchen wir die Ingenieurwissenschaften, mit denen wir ebenfalls eng verzahnt sind. Wir kombinieren Medizin, Naturwissenschaften und Ingenieurwesen. In unseren Konsortien arbeiten wir eng mit Medizinerinnen und Medizinern zusammen, die die klinischen Anforderungen definieren. Naturwissenschaftlerinnen und -wissenschaftler übersetzen diese Anforderungen in das Materialdesign. Sie analysieren, wie Moleküle oder Materialien aufgebaut sein müssen, um im definierten Zeitraum mit bestimmten Eigenschaften zu reagieren - angepasst an die Bedingungen im Körper oder in in vitro-Modellen. In die Entwicklung sind auch die Computerwissenschaften involviert. Wir nutzen eine durchgängige Entwicklungspipeline mit innovativen Methoden, etwa Simulationen, KI-gestützter Modellbildung und Prozessoptimierung. Die vorhandene Infrastruktur an der RWTH im Bereich Künstliche Intelligenz unterstützt uns dabei wesentlich. Ingenieure ermöglichen schließlich die Umsetzung in funktionsfähige Devices. Ohne diesen Schulterschluss wäre unsere Arbeit nicht möglich. Erst danach kann die Translation in die klinische Anwendung erfolgen.
Zur Überführung der Idee in die Klinik wird der Translationsprozess im Cluster von Beginn an mitgedacht. Wie sieht die Strategie konkret aus?
Kießling: Wir verfolgen dabei zwei zentrale Ansätze. Erstens: Im Translational Hub Aachen for Medical Materials bündeln wir bestehende Strukturen und vernetzen sie so, dass sie nahtlos ineinandergreifen. Zweitens: Wir identifizieren frühzeitig Ideen mit realem Translationspotenzial - schon auf der Ebene der Grundlagenforschung. Sobald wir ein solches Potenzial bei Projekten erkennen, stellen wir den Forschenden sogenannte Translational Angels zur Seite. Diese begleiten sie gezielt dabei, die nächsten Schritte in Richtung Anwendung mitzudenken. So stellen wir sicher, dass zentrale Fragen des Transfers von Anfang an berücksichtigt werden.
De Laporte: Darüber hinaus schaffen wir Unterstützung für Projekte, die sich an entscheidenden Schwellen befinden - zum Beispiel durch finanzielle Engpässe oder durch Begleitung beim Übergang in konkrete Transferprozesse. Unser Ziel ist es, ein umfassendes Unterstützungspaket zu schaffen, das den gesamten Translationsprozess erleichtert. Ein weiterer, oft unterschätzter Aspekt ist die regulatorische Begleitung. Es fehlen aktuell Fachkräfte, die diesen Bereich kompetent abdecken können. Um diese Lücke zu schließen, planen wir den neuen Masterstudiengang ,,Advanced Therapeutics", der gezielt regulatorische und translationale Kompetenzen vermittelt und unser internationales Masterprogramm ,,Biomedical Engineering" sinnvoll ergänzt.
Welche Rolle spielen nationale und internationale Partner im Cluster?
De Laporte: Wir agieren natürlich keineswegs nur innerhalb der RWTH. Wir arbeiten eng mit dem DWI - Leibniz-Institut für Interaktive Materialien, mehreren Fraunhofer-Instituten und dem Forschungszentrum Jülich zusammen. Darüber hinaus wollen wir unsere internationalen Partnerschaften deutlich ausbauen - mit realen Satellitenlabors, die vor Ort am Institut an der University of Science Tokyo in Japan und am Technion in Israel eingerichtet werden, um eine bessere Zusammenarbeit zu ermöglichen. Mit beiden pflegen wir bereits langjährige Kooperationen, wollen diese aber im Bereich der medizinischen Materialien deutlich vertiefen und strukturell ausbauen.
Wenn wir sieben Jahre vorausblicken - was ist dann von TransMedMat sichtbar?
Kießling: Eine vollständige Revolution der Medizin in sieben Jahren? Das wäre vermessen. Aber ich bin überzeugt: Einige unserer Entwicklungen können dann bereits in der klinischen Anwendung sein. Und wir können erste Daten darüber haben, wie sie wirken. Noch wichtiger ist mir aber, dass wir langfristig Denkprozesse in der wissenschaftlichen Gemeinschaft verändern und aus der Grundlagenforschung heraus Ideen generieren, die das Forschungsfeld der Biomaterialentwicklung perspektivisch beeinflussen. Wir wollen zeigen, dass exzellente Grundlagenforschung von Anfang an den Nutzen für die Patientinnen und Patienten in den Vordergrund stellen sollte. Wir streben also gleichermaßen an, den Forschungsbereich durch ein generelles Umdenken zu revolutionieren.
De Laporte: In spätestens sieben Jahren werden wir wissen, ob der transformative Ansatz der Materialien tatsächlich funktioniert. Wir werden viele Erkenntnisse gesammelt, unsere Systeme getestet und anhand des Feedbacks verbessert haben. Dieser kontinuierliche Entwicklungsprozess ist entscheidend für den Erfolg - und dafür, wie groß unser Beitrag zur Medizin am Ende wirklich sein kann.
