Hallo, alle zusammen!
Das ist Alana.
Als sie 11 Jahre alt war,
hatte sie beim Basketballspielen einen tragischen Unfall.
Sie stürzte und zerschmetterte dabei ihre Patella, ihre Kniescheibe.
Ihr Knie konnte wieder hergestellt werden.
Chirurgen zogen dazu verschiedene Quellen heran.
Sie bekam eine Spender-Patella.
Zwei Bänder wurden aus einem Teil ihres Muskels hergestellt.
Sie bekam zwei biopolymere Bänder
und Metall-Puffer, die alles zusammenhalten.
Heute kann sie laufen, und nicht nur das.
Sie spielt Basketball, Softball, sie turnt und so weiter.
Fragt man sie, wird sie sagen, dass sie sehr dankbar dafür ist,
all diese Dinge tun zu können.
Aber sie hat eine klare Meinung dazu
und wird auch sagen, dass sie nicht glaubt,
dass Knie in der Zukunft auf diese Art und Weise repariert werden.
Sie stellt sich vor, dass sie ihre eigenen Knorpel, ihre eigenen Bänder,
ihren eigenen Knochen aus ihren eigenen Zellen züchten kann.
Sie will sich auch daran beteiligen.
Wir werden später noch dazu kommen, aber greifen wir doch den Gedanken,
diese Idee, auf, wie es dazu gekommen ist.
Wie fing das alles an? Der Körper 1.0.
Hier ist ein Beispiel. Dies ist eine berühmte Zeichnung.
Es ist "Der vitruvianische Mensch" von Leonardo da Vinci,
eine schematische Darstellung der menschlichen Form,
inspiriert von architektonischen Zeichnungen.
Dies kann als Symbol für die klassische Sichtweise auf den Körper
in vielen verschiedener Kulturen dienen:
also der Gedanke, dass es eine vollständige Einheit ist,
an der man herumbasteln kann, aber die im Großen und Ganzen intakt bleibt.
Es gibt Beispiele von Ägyptern, die Zähne mit Muscheln reparierten,
sowie von indischen und chinesischen Chirurgen.
Aber der wesentliche Gedanke ist der, dass der Körper ganz ist.
Er ist eine funktionale Einheit, eine ganze, funktionale Einheit.
Aber im 20. Jahrhundert kam der Wandel.
Also, was ist da passiert?
1924 gab es, hier in Deutschland, die erste Dialyse-Maschine.
1960 ersetzte ein burmesischer orthopädischer Chirurg
die Hüfte einer 83-jährigen buddhistischen Nonne mit einem Stück Elfenbein.
1967 gab es die erste Herztransplantation.
Später kam das erste künstliche Herz, künstliche Knie etc.
Aber der wesentliche Gedanke war,
dass wir uns vom menschlichen Körper
als eine Funktionseinheit verabschiedeten.
Analog zu austauschbaren Teilen und Fließbändern,
die die Warenproduktion revolutioniert haben,
hatten wir einen ähnlichen Gedanken in der Medizin,
nämlich den Ersatz eines Körperteils, der in irgendeiner Weise "kaputt geht",
durch eine Spende
oder durch ein von Menschenhand gemachtes Körperteil.
Aber das Problem ist -- und das wird Alana bestätigen --
das entstehende Narbengewebe, wenn etwas in den Körper einpflanzt wird.
Der Körper reagiert darauf, wie auf einen Eindringling, und wehrt es ab.
Diese Arten von Implantaten
führten zu einer Menge interessanter Studien mit Zellen und Biomaterialien,
um zu sehen, wie der Körper mit Dingen, die in ihn eingesetzt werden, umgeht
und was dann passiert.
Als interessanter Nebeneffekt entstand eine neue medizinische Fachrichtung,
die Gewebekonstruktion.
Auf diesem Gebiet sind Zellen die funktionale Einheit.
Denn im Grunde haben wir alle als eine Zelle angefangen.
Daraus sind wir ursprünglich entstanden.
Die Entwicklungsbiologie nach dem Motto "Forschen-wir-nach-und-sehen,
was-die-Zellen-ursprünglich- gemacht-haben"
gab viele Impulse für dieses Gebiet,
ebenso wie Biomaterialien
und das Wissen aus der Transplantationswissenschaft.
Die Idee, biologische Ersatzmaterialien
anstelle von metallischen herzustellen,
wurde zum Konzept des Körpers 3.0.
Angefangen hat es beim intakten Körper, weiter ging es mit ersetzbaren Teilen
und führte dahin, lebende Körperteile von Grund auf zu erschaffen.
Okay, von Grund auf stimmt eigentlich nicht ganz,
denn die wahren Gewebekonstrukteure sind die Zellen.
Daher haben wir als Gewebekonstrukteure auch eine Identitätskrise,
denn die Zellen machen die ganze Arbeit allein.
Es kam nämlich zu einem Umdenken von
"Bauen wir eine Hüfte" hin zu "Bauen wir eine Umgebung",
ein schickes Aquarium sozusagen -- Bioreaktor genannt.
Er ermöglicht es den Zellen, selbst ein Stück Knochen zu entwickeln --
eine interessante Verschiebung in der Denkweise.
Deshalb macht die Arbeit als Gewebekonstrukteur
sehr viel Spaß und ist sehr interessant,
und wir alle wissen, wenn wir Spaß an etwas haben,
können wir Erstaunliches erreichen.
Deswegen werde ich Ihnen von meiner Arbeit erzählen.
Ich habe mich auf das Herz spezialisiert.
Das sind Beispiele für das Herz 1.0, 2.0 und 3.0.
Beginnend mit einem weiteren Bild von Da Vinci
und dem Bild eines künstlichen Herzens.
Das Herz 3.0 ist die Vorstellung davon,
dass wir künftig vielleicht mittels "Bioprinting" Gewebeteile erzeugen
und ein funktionsfähiges Herz daraus herstellen können.
Aber das liegt in der Zukunft. Was können wir heute tun?
Dieses Video zeigt ein Stück konstruiertes Gewebe,
das ich im Rahmen meiner Doktorarbeit erstellt habe --
und wie Sie sehen, schlägt es.
Ein großer Teil meiner Forschung drehte sich um den Gedanken,
wie man eine Umgebung gestalten kann,
damit Zellen, Herzzellen, verstehen, was sie tun sollen.
Das wirklich Interessante ist, dass Zellen gar nicht viel brauchen,
um zu verstehen und das zu tun, was sie am besten können.
Sie brauchten nur die richtige Nahrung
das richtige Material, in diesem Fall Kollagen,
und ein paar biophysikalische Hinweise, in diesem Fall elektrische Signale.
Knochen, wie Sie sich vielleicht vorstellen können,
sind auf eine andere Weise mechanisch aktiv,
und bei der Gewebezüchtung von Knochen
sieht man eine große mechanische Belastung.
Aber in diesem Fall mit Nahrung und etwas Strom aus einem Herzschnittmacher
sind die Zellen einfach losgeprescht und haben das Gewebe gebildet.
Das Hauptziel in der Gewebezüchtung
ist wie gesagt die Herstellung von Transplantaten auf Bestellung.
Das ist wirklich cool und verrückt.
Aber eigentlich ist das nur die Spitze des Eisberges.
Als Beispiel können wir den Prozess der Arzneimittelentwicklung nehmen.
Es braucht über eine Milliarde Dollar und mehr als 10 Jahre,
um ein Medikament auf den Markt zu bringen,
und es muss dabei viele Stufen durchlaufen,
von der Rezeptur über Laborversuche, Tierversuche bis zu klinischen Tests,
sozusagen Menschenversuche,
bevor das Medikament auf den Markt kommt.
Und je später das Medikament in diesem Prozess durchfällt,
umso teurer ist es und umso höher ist das Schadenspotenzial.
Aber was wäre, wenn wir etwas von diesem konstruierten Gewebe
als Ersatz hierfür nutzen könnten?
Wir könnten so vielleicht den Bedarf an Tierversuchen
und auch den Bedarf an Versuchen am Menschen senken.
Alles läuft auf zwei Kernpunkte hinaus: Erstens sind wir keine Ratten
und ich bin aus New York, also ist das sehr wichtig.
Aber wir nutzen Ratten, weil sie einen vollständigen Organismus darstellen
und sie zeigen uns, wie Medikamente im Körper wirken können.
Aber zweitens, auch wenn wir uns alle überaus ähnlich sind,
haben winzige Unterschiede in unserer DNA
einen großen Einfluss darauf,
wie wir Medikamente vertragen und wie sie auf uns wirken.
Wenn wir also die Modelle aus der Gewebekonstruktion
als Ersatz verwenden könnten,
anstelle von Tier- und Menschenversuchen,
können wir hoffentlich den Geld- und Zeitbedarf
hinsichtlich der Entwicklung neuer Therapien verringern.
Dies ist eine schematische Darstellung eines Bioreaktors,
den wir derzeit im Labor entwickeln.
Wenn wir nämlich davon ausgehen, dass Pharmaunternehmen
diese erzeugten menschlichen Ersatzstoffe
anstelle von Tier- oder Menschenversuchen einsetzen wollen,
dann müssen sie berechenbar sein
und sie müssen auf einen hohen Massendurchsatz
angepasst werden können.
Dies ist die schematische Darstellung eines Bioreaktors,
den wir derzeit im Labor entwickeln, um genau dies zu erreichen.
Er wird über Open-Hardware- Plattformen wie Arduino
und Open-Software-Plattformen auf Android-Geräten betrieben.
Wir sind ganz kribbelig, dass diese Arbeit vorangeht.
Stellen Sie sich vor, wenn man Tausende davon alle auf einmal hätte,
dann wäre es quasi wie eine klinische Studie auf einem Chip.
Wir könnten viel bessere Informationen daraus gewinnen.
Das ist also die Entwicklung von gesundem Gewebe.
Aber was wäre, wenn wir Gewebe konstruieren könnten,
das einen erkrankten Zustand repliziert?
Kevin Eggan aus Harvard macht das gerade.
Er nimmt Zellen von Menschen,
die die Erbanlagen für ALS, Amyotrophe Lateralsklerose, haben.
Er kann Neuronen aus diesen Zellen erschaffen
und diese Zellen zeigen im Labor
ein vielfach ähnliches Verhalten
wie ALS-Patienten im wirklichen Leben.
Wenn wir mehr von diesem erkrankten Gewebe im Labor herstellen können,
ist es uns auch möglich, viel mehr über Krankheitsmechanismen
und hoffentlich etwas über die Heilung von Krankheiten lernen.
Das sind Retinazellen, die auf ähnliche Weise konstruiert sind.
Da es Fälle von Retinitis pigmentosa in meiner Familie gibt,
interessiert mich dieses Thema ganz besonders.
Aber dies sind nur einzelne Gewebeteile:
ein einzelnes Herz, eine einzelne Leber etc.
Denken wir noch einmal an die Ratte.
Die Ratte ist ein vollständiger Organismus.
Und wie wir wissen,
wenn ich ein Medikament für meinen Blutdruck nehme,
wirkt sich das nicht nur auf meine Blutgefäße,
sondern vielleicht auch auf meine Leber aus.
Nehme ich ein Antidepressivum, kann es verstoffwechselt werden
und dann in meinem Fettgewebe eingelagert werden.
Forscher beginnen nun damit,
mikrofluidische Kulturen im Mikrobereich zu konstruieren,
in denen sich winzige Teilchen von Herz, Leber, Lunge, Darm
alle auf der gleichen Plattform befinden.
Somit können wir nun dieses Zusammenspiel untersuchen.
Dieses Gebiet befindet sich gerade im Anfangsstadium, also dran bleiben!
Hier ist ein Beispiel von Brustkrebszellen,
die mit Hilfe von Tintenstrahl-Technologie gestaltet wurden.
Wie viele von Ihnen --
Gott bewahre, dass jemand von uns den Anruf erhält,
wo man gesagt bekommt, dass entweder Sie oder einer Ihrer Liebsten Krebs hat.
Würden Sie nicht wissen wollen, wie sich ein bestimmtes Medikament
auf Ihre spezifische Krebsart auswirkt oder auf meine spezifische Krebsart?
Karen Burgs Labor tut genau dies.
Mittels Tintenstrahl-Technologie
drucken sie Brustkrebszellen auf einer Platte ab.
Einige unserer Kollegen am Tufts nutzen solche Modelle
mit gezüchtetem Knochengewebe
und untersuchen, wie sich Krebs im Körper ausbreitet.
Stellen Sie sich vor, dass man mit diesen Chips auf der letzten Folie
in Zukunft Krebs und menschliches Gewebe gemeinsam kultiviert.
Als Gewebekonstrukteure versuchen wir, oberflächlich betrachtet,
eine neue Kniescheibe, neue Bänder, einen neuen Knochen zu züchten.
Wir schaffen neue Körperteile.
Aber ich hoffe, ich habe Sie davon überzeugt,
dass wir tatsächlich etwas viel Größeres machen.
Als Nebeneffekt all dieser Forschungen glaube ich,
dass wir tatsächlich Biotechnologie
in eine Produktions- und Informationstechnologie umwandeln.
Indem wir Organspenden von Organspendern trennen,
können wir eine Verbindung durchbrechen,
die bislang wegen Gewebetypübereinstimmung
und der Lebensfähigkeit des Gewebes nicht zu durchbrechen war.
Da wir menschliches Ersatzgewebe, das entweder einen gesunden
oder einen erkrankten Zustand repräsentiert, kultivieren können,
können wir bestimmte Fragen auch viel konkreter beantworten,
mit viel mehr Datenpunkten als jemals zuvor,
wie Medikamente auf Menschen wirken.
Daneben geschehen weitere, verwandte Revolutionen:
in der Herstellung und Informationstechnologie,
die Tatsache, dass wir 3D-Drucker, Open Hardware, Open-Software-Plattformen
und neue Werkzeuge für die Zusammenarbeit haben --
das ist alles so spannend für uns
und ermöglicht noch mehr interessante Zusammenarbeit in der Zukunft.
Da ich als Forscherin an diesem Gebiet so viel Freude habe,
lade Sie zu einem Gespräch mit mir
über Ihre Vorstellung vom Körper 4.0 ein.
Vielen Dank, dass Sie sich Zeit genommen haben! (Applaus)