Implantate unter der Haut – Nanopartikel als Gesundheits-Tracker? – Transkript

Dies ist das Transkript zu unserer Podcastfolge „Implantate unter der Haut – Nanopartikel als Gesundheits-Tracker?


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Teaser

Dennis Eckmeier: und haben Sich sich jetzt gedacht: So, ich bin jetzt Professor, jetzt mache ich das?

Carsten Sönnichsen: Das war für mich jetzt wirklich auch mit das schwierigste Projekt, was ich bisher gemacht habe. Das hat jetzt fast 15 Jahre gedauert.

Einleitung

Dennis Eckmeier: Nanobiotechnologe Carsten Sönnichsen möchte es uns ermöglichen, unseren gesundheitlichen Zustand mit implantierbaren Sensoren zu kontrollieren, die mit einem Gerät durch die Haut abgelesen werden können. Das soll vor allem Patienten mit chronischen Erkrankungen die ewigen Blutabnahmen ersparen. Wie diese Sensoren funktionieren und wie er und sein Team sie entwickelt haben, dazu erfahren wir gleich mehr nach den Meldungen.

Bei mir ist mein Co-Moderator, der Herr Dr. rer. nat. Bart Geurten.

Bart Geurten: Hi!

Dennis Eckmeier: Und ich bin der Herr Dr. rer. Nat. Dennis Eckmeier. Wir haben zusammen Bio studiert und zusammen promoviert. Das ist auch schon eine ganze Weile her. Ich bin inzwischen freier Wissenschaftskommunikator und der Bart forscht in Göttingen.

Bart Geurten: Das stimmt! Und kein Mensch nennt uns Dr. rer. nat..

Dennis Eckmeier: Nein, das ist jetzt hier nur aus Spaß. Sag mal, was machst du eigentlich gerade forschungsmäßig?

Bart Geurten: Ich gucke mir gerade Cognitive Biases in Insekten an.

Dennis Eckmeier: Cognitive Biases in Insekten?

Bart Geurten: Sozusagen wir gucken uns Illusionen des kognitiven Denkens an und schauen nach, ob Insekten unter den gleichen Illusionen leiden.

Dennis Eckmeier: Oh, cool! Also sowas wie optische Illusion, aber fürs Denken?

Bart Geurten: Genau!

Dennis Eckmeier: Ah okay!

Meldungen aus der Forschung

Bart Geurten: Okay! Kommen wir zu den Meldungen. Die wählen wir danach aus, welche Kurznachrichten gutes Feedback bekommen. Das sind YouTube Shorts, die Dennis aber auch auf Facebook, Twitter, Instagram und TikTok postet. Also lasst uns wissen, welche Meldung ihr besonders spannend findet.

1. Meldung: Menschengen macht Mäuse schlau.

<Minute 01:43>

Dennis Eckmeier: Menschengen macht Mäuse schlau. Tiere lernen, können sozial sein und komplexe Organisationsformen aufbauen, können die Perspektive eines Artgenossen einnehmen, kommunizieren mit Sprache, erkennen sich selbst im Spiegel, machen und benutzen Werkzeuge, bauen Unterkünfte, erkunden ihre Umwelt, haben Traditionen und Aberglauben und scheinen auch in die Zukunft planen zu können. Also alles Sachen, von denen man denkt, das machen doch eigentlich hauptsächlich Menschen. Aber der Mensch kann nicht nur all diese Dinge, sondern auch gleichzeitig und jeweils in viel größerem Ausmaß als die meisten Tiere und auch flexibler. Die nach unserem Maßstab schlausten Tiere erreichen dabei kaum die geistigen Fähigkeiten eines Kleinkindes. Deshalb ist das Gehirn auch ein zentrales Forschungsthema für Leute, die sich mit der menschlichen Existenz beschäftigen. Um zu sehen, was das menschliche Gehirn besonders menschlich macht, vergleicht man es mit dem von Vormenschen und von Menschenaffen. Dabei stellt sich heraus, dass es nicht nur irgendwie größer ist, sondern dass vor allem bestimmte Bereiche des Gehirns verstärkt ausgeprägt sind. Das ist vor allem der Neocortex. Der ist eigentlich einfach das Vorderhirn, das bei Menschen aber fast den gesamten Rest des Gehirns überwuchert. Sodass man, wenn man das menschliche Gehirn von außen betrachtet, eigentlich nur noch Cortex sieht und ein bisschen Kleinhirn. Welche Gene haben sich also in der Evolution verändert, dass dieses absurde Gehirn entstanden ist? Um diese Frage zu beantworten, sucht man zunächst Gene, die in Gehirnzellen aktiv sind und beim Menschen anders sind als bei ihren nächsten Verwandten. Solche Gene gibt es sehr viele. Herauszufinden, welche davon wichtig sind oder interessant, ist eine Lebensaufgabe. Dazu muss man auch wissen, was die Gene machen. Also verändert man sie und schaut, was passiert. Das kann man natürlich nicht an Menschen machen, und auch bei Affen ist das nicht so einfach. Deshalb macht man das an Mäusen. Die haben oft die gleichen Gene, aber mit ein paar kleinen Abweichungen. Man kann sich das so vorstellen wie, wenn ein Wort in einer nahverwandten Sprache etwas anders geschrieben und ausgesprochen wird, aber trotzdem noch erkennbar das gleiche Wort ist und eine fast identische Bedeutung hat. Aber eben nicht ganz. Forscher*innen um Wieland Huttner am Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik veränderten nun also die Mausversion eines sorgfältig ausgewählten Gens in die Menschenversion. Und tatsächlich entwickelten die so veränderten Mäuse einen vergrößerten Neocortex. Die Tiere waren außerdem anpassungsfähiger und weniger ängstlich. Die Vermutung liegt also nahe, dass das Gen sehr wichtig für die Evolution des Menschen gewesen sein könnte und damit natürlich auch heute von großer Bedeutung für das Menschsein.

Bart Geurten: Aber es gibt natürlich jede Menge kognitive Leistungen, in den einzelne Tiere uns überlegen sind. Zum Beispiel Schimpansen können in Mustererkennungstests viel schneller das Muster finden als wir.

Dennis Eckmeier: Ja, das habe ich auch gesehen. Das ist total krass. Also für die Leute, die das nicht kennen: Bei den Schimpansen macht man so einen Test, da haben die so einen Touchscreen und dann blinken ganz kurz Zahlen auf von 1 bis 10. Und die müssen sie sich dann merken und an die richtigen Stellen auf dem Touchscreen in der richtigen Reihenfolge anklicken. Das können die unglaublich schnell. Da hat man keinen Menschen gefunden, der das hinkriegt.

2. Meldung: Der Gleichgewichtssinn von Ur-Reptilien

<Minute 05:08>

Bart Geurten: Der Gleichgewichtssinn von Urzeitreptilien. Die Gruppe der Archosaurier umfasst den gemeinsamen Vorfahren von Krokodilen und Vögeln und all seinen Nachkommen, also auch anderen Dinosauriern und Flugsauriern zum Beispiel. Wie ihr euch vorstellen könnt, kommen da unglaublich viele einzelne Arten zusammen, die sich zu Land, zu Wasser und in der Luft bewegen. Weil die meisten dieser Tiere seit langer Zeit ausgestorben sind und Forschende meistens nur unvollständige fossile Skelette von ihnen kennen, ist es schwierig herauszufinden, wie genau diese Tiere gelebt haben. Paläontologen und Paläontologinnen – und du hast gesagt, ich könnte das nicht aussprechen – suchen deshalb nach Möglichkeiten, viele Informationen aus wenigen Indizien zu gewinnen. Zum Beispiel, indem sie von der Länge und Dicke eines einzelnen Oberschenkelknochens auf die Gesamtgröße eines Tieres schließen. Ein anderes solches Indiz könnte der Gleichgewichtssinn sein. Der besteht aus knörchernen Bogengängen im Innenohr. In diesen Bogengängen befindet sich eine Flüssigkeit. Bewegt sich der Kopf des Tieres, folgt die Flüssigkeit wegen der Trägheit erst mit Verzögerung. Die so entstehende Relativbewegung wird von Tasthaaren aufgenommen. So nehmen die Tiere Beschleunigungen wahr. Diese Information dient unter anderem der Bildstabilisierung im Sehsinn. Die drei Bogengänge liegen bei unterschiedlichen Arten in unterschiedlichen Winkeln zueinander und kommen in verschiedenen Größen und Formen vor. Die Vermutung liegt nahe, dass die Gestaltung der Bogengänge direkt mit den üblichen Kopfbewegungen des Tieres und damit mit seinem Verhalten zusammenhängen. Entsprechend werden sie manchmal für Spekulationen über Aussehen und Verhalten von ausgestorbenen Tieren herangezogen. Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung des Naturkundemuseums Stuttgart untersuchte nun die Gestalt des Innenohrs in bis zu 250 Millionen Jahren alten Fossilien von Archosauriern und verglich sie mit Messungen in lebenden Archosauriern, also Krokodilen und Vögeln. Sie verwendeten dafür Computertomographen, was eine besondere Detailgenauigkeit der Messung erlaubt. Überraschenderweise gab es keinen systematischen Zusammenhang zwischen Lebensweise und der Gestalt der Bogengänge. Vögel haben zum Beispiel vergleichbar große Bogengänge, Flugsaurier jedoch vergleichbar kleine. Damit wären einige Spekulationen über Archosaurier in der paläontologischen Literatur wohl substanzlos geworden. Gleichzeitig machten sie aber auch positive Entdeckungen. So seien Unterschiede zwischen der Anatomie der Bogengänge zwischen Krokodilen und Vögeln bereits in Fossilien von vor 240 Millionen Jahren sichtbar. Also kurz nach der Spaltung der beiden evolutionären Linien und bevor man überhaupt schon von so etwas wie Krokodilen, geschweige denn Vögeln sprechen konnte. Überhaupt sei die Vielfalt der Formen an diesem Punkt der Evolution überraschend groß. Außerdem fanden sie eine neue Hypothese für die unterschiedlichen Ausprägungen der Bogengänge. Sie könnten mit einem besseren Sehsinn einhergehen. So hätten Archosaurier mit besonders großer Augenhöhlen auch größere Bogengänge. Das war eine Arbeit von einem erstaunlich großen Team. Dennis, hast du mitgekriegt, wer da alles mitgemacht hat?

Dennis Eckmeier: Ja. Und zwar waren an dieser Studie jede Menge Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen beteiligt von der Universität São Paulo in Brasilien, der Oxford University, der University of Witwatersrand in Südafrika und weiteren Instituten und Universitäten in Brasilien, Argentinien, in Großbritannien, der Schweiz, Deutschland und in den USA.

Bart Geurten: Ja, das ist eher selten, dass wir in der Biologie so große Kollaborationen finden. Diese scheint mir besonders wichtig zu sein, weil sie neben einer neuen, spannenden Hypothese über die Bogengänge und den Sehsinn auch eine der wenigen Beispiele dafür ist, dass mal Theorien verworfen werden.

Dennis Eckmeier: Ja, das stimmt. Meistens werden Veröffentlichungen gemacht, wenn man irgendwie was Positives zu berichten hat. Dass man eine Hypothese verwirft, wird oft gar nicht publiziert. Was natürlich schlecht ist, weil viele auf der Basis jetzt zum Beispiel so einer Hypothese oft spekulieren in ihren eigenen Veröffentlichungen und dann verbreiten sich so Ideen und die werden irgendwann als wahr angenommen, obwohl die nie jemand überprüft hat. Deshalb ist das total wichtig, dass man halt solche Überprüfungen macht, wie die das hier gemacht haben. Offensichtlich mit einem riesigen Aufwand. Ich meine, so CTs sind jetzt nicht gerade billig und die müssen ja unglaublich viele Proben gehabt haben. Das ist ja zum einen eine sehr große Gruppe an Tieren und dann haben sie ziemlich alles gemessen, was sie finden konnten, vom Fossil bis zu lebenden Tieren.

Bart Geurten: Was ist denn die dritte Nachricht?

Dennis Eckmeier: Da geht’s ums Artensterben. Schön, ne?

3. Meldung: Artensterben – Menschen schlimmer als Meteorit.

<Minute 10:02>

Menschen schlimmer als Meteorit. Wenn wir von Dinosauriern reden, denken wir natürlich auch immer an ihr elendes Ende, als eines Tages ein Meteor in die Halbinsel Yucatán im heutigen Mexiko einschlug. Die ganzen Effekte, die dieser Einschlag hatte, können wir hier jetzt gar nicht besprechen. Aber die Oberfläche der Erde muss für einige Jahrtausende die Hölle gewesen sein, extrem lebensfeindlich für die meisten Tiere und Pflanzen. Man schätzt, dass rund drei Viertel der Arten zu dieser Zeit ausgestorben sind. Auch danach blieb die Aussterberate weitere fünf Millionen Jahre lang hoch. Es dauerte insgesamt 12 Millionen Jahre, bis sich die Artenvielfalt davon wieder erholte, also einen Punkt erreichte, an dem gleichviele Arten entstanden wie ausstarben. Das ermittelte zumindest ein Team der Uni Gießen. Sie trugen Daten über das Aussterben und Neuentstehen von Süßwasser-Schnecken über die letzten 200 Millionen Jahre zusammen. Die Sammlung umfasst 3400 ausgestorbene und lebende Schneckenarten. So haben sie einen Überblick über die Entwicklung der Artenvielfalt in Süßgewässern von der frühen Ära der Dinosaurier bis heute. Die heutige Zeit nennen einige Forscher das Anthropozän, eine Zeit, in der die Erdoberfläche vornehmlich von menschlichen Aktivitäten verändert wird. Denn es gibt praktisch keinen Punkt der Erde, der nicht von Menschen direkt oder indirekt beeinflusst wird, vom Tourismus auf dem Mount Everest bis zu Plastikmüll im Marianengraben. Durch diese Zerstörung von Lebensräumen, Klimawandel, Ausbeutung von Ressourcen, Umweltverschmutzung und Transport von invasiven Arten bedrohen wir die Ökosysteme weltweit. Das wird zu einem menschengemachten Artensterben, man spricht sogar vom sechsten großen Massensterben der Erdgeschichte. Die gesammelten Daten erlaubten den Forschenden der Uni Gießen, das heutige Artensterben mit dem letzten zu vergleichen. Demnach sei die damalige Aussterberate höher als bisher vermutet. Doch die heute beobachtete und zu erwartende Aussterberate läge rund 1000 Mal so hoch wie damals. Sie erwarten, dass in den nächsten 100 Jahren ein Drittel der Süßwasser-Schnecken verschwunden sein wird. Es ist anzunehmen, dass es anderen Süßwasserarten ähnlich ergehen wird. Schließlich schätzen sie, dass es auch viel länger dauern wird, bis sich die Artenvielfalt von diesem Schlag erholt, also länger als 12 Millionen Jahre. Keine schöne Aussicht.

Bart Geurten: Ganz viele Leute fragen immer in diesen Situationen: Süßwasser-Schnecken, brauchen wir davon alle oder können wir auf ein, zwei verzichten für einen neuen SUV?

Dennis Eckmeier: Das ist natürlich immer so die Frage, die man dann hat. Aber grundsätzlich ist natürlich jede Art wichtig für das Ökosystem, in dem sie lebt. Wenn jetzt diese Süßwasser-Schnecken aussterben, ist das wahrscheinlich ein Indikator dafür, also ein Zeichen dafür, dass auch andere Süßwasserarten mitbetroffen sind und aussterben werden. Diese Süßwasser-Ökosysteme sind extrem wichtig für uns und ich glaube, die Süßwasser-Schnecken, die gelten einfach als so eine Art Anzeige oder Sensor für die Qualität des Wassers und des Ökosystems.

Bart Geurten: Einen zweiten Fehler, den viele Leute in dieser Diskussion machen, ist sozusagen zu behaupten, das Kind ist jetzt in den Brunnen gefallen und man kann nichts mehr tun. Viele dieser Studien legen diesen Schritt nahe, obwohl sie das nie sagen, nämlich: Es wird noch über 100 Millionen Jahre viel Artensterben geben. Das ist überhaupt gar nicht gesagt, weil es niemals in der Geschichte der Erde eine Spezies gab, die das aktiv verhindern könnte. Wir können das aber aktiv verhindern und wir können neue Ökosysteme schaffen, bestimmte Schutzräume schaffen und damit dem entgegenwirken. Die Message, die ihr aus einer solchen Nachricht ziehen solltet, wäre nicht: Süßwasser-Schnecken sind nicht wichtig und wir können eh nichts mehr tun, weil das schon alles vorbei ist. Sondern jetzt aktiv werden und helfen, bestimmte Lebensräume zu erhalten, wird eine solche Katastrophe abwenden können.

Dennis Eckmeier: Absolut! Man kann auf jeden Fall immer was tun. Wenn man nichts tut, wird es halt noch schlimmer. Das ist halt immer so die Lehre. Man kann jetzt nicht von heute auf morgen alles wieder hei-ti-tei und schön machen, aber man kann immer dagegen arbeiten, dass es noch schlimmer wird als es bisher aussieht.

Mach mit!

Bart Geurten: Das stimmt! Das waren unsere drei Meldungen für dieses Mal. Welche war die spannendste? Menschengen macht Mäuse schlau? Der Gleichgewichtssinn von Urreptilien? Oder: Artensterben, Menschen schlimmer als ein Meteor? Schreibt uns die Antwort in die Kommentare.

Dennis Eckmeier: Und nun gehen wir auf unsere Expedition in die Forschung.

Expedition in die Forschung: Implantate unter der Haut – Nanopartikel als Gesundheits-Tracker

Gesundheits-Tracker für chronisch Kranke?

<Minute 14:42>

Blutmessungen sind eine Standardmethode, mit der Ärzt*innen den Gesundheitszustand von Erkrankten prüfen.

Carsten Sönnichsen: Sobald der Arzt nicht sofort sieht, was man hat, guckt man sich erst mal das Blut an. Und dann misst man bestimmte Parameter in diesem Blut, die alles Mögliche anzeigen können.

Bart Geurten: Viele chronisch Erkrankte wie zum Beispiel Zuckerkranke müssen deshalb immer wieder zur Blutabnahme oder sich zumindest regelmäßig stechen, um einen Tropfen Blut für die Zuckermessung zu bekommen.

Carsten Sönnichsen: Und natürlich wäre es oft wünschenswert, man würde das sozusagen direkt messen können, ohne dass man erst das Blut abnehmen muss, und auch kontinuierlich messen.

Dennis Eckmeier: Unser Gast in dieser Folge ist Carsten Sönnichsen. Er ist Nanoforscher und hat einen Lösungsansatz entwickelt, mit dem man das Leben für chronisch Erkrankte vielleicht ein wenig einfacher machen könnte.

Was ist Nano(bio)technologie?

<Minute 15:37>

Bart Geurten: Aber was ist Nanoforschung überhaupt? Das ist schwer zu umreißen. Sie umschließt eine ganze Reihe an wissenschaftlichen Disziplinen.

Carsten Sönnichsen: Von Medizin bis zur Biochemie, Chemie, Festkörperphysik. Also für Naturwissenschaftler ist das ein sehr breites Feld. Wir arbeiten ja normalerweise in sehr, sehr engen definierten Bereichen. Und Nano ist so ein Bereich, der sehr viel Brücken zwischen verschiedenen Disziplinen macht.

Dennis Eckmeier: Aber wenn so viele verschiedene Disziplinen zusammenkommen, was macht dann Nanoforschung aus? Eigentlich bedeutet das nur, dass man sich mit Objekten einer bestimmten Größe beschäftigt.

Carsten Sönnichsen: Die Nanometer-Skala ist ja etwas, was kleiner ist als ein Mikrometer. Ein Mikrometer sind tausendmal weniger als ein Millimeter, also nochmal tausendmal weniger ist dann ein Nanometer. Und das ist so die Größe zwischen den Atomen, die Atome sind zu einem Zehntel Nanometer groß, bis hin zu Mikrometer. Das ist dann schon eher so eine Art Staubkorn. Da sind zum Beispiel auch die Viren, Coronaviren sind etwa 100 Nanometer groß. Das ist jetzt für uns in der Nanoforschung schon grad so das Ende, sage ich mal, das größte Ding. Meistens beschäftigen wir uns mit Sachen, die so zwischen 10 und 100 Nanometer groß sind.

Bart Geurten: Und auf dieser Skala entstehen viele interessante Dinge. Zum Beispiel kommen wasserabweisende Oberflächeneigenschaften häufig von der Nanostruktur der Materialien. Die gesamte Biochemie basiert praktisch auf dieser Skala. Sönnichsen beschäftigt sich mit metallischen Nanopartikeln.

Carsten Sönnichsen: Das sind also Kristalle, kann man auch sagen, so Nanokristalle aus Metallen, insbesondere aus Edelmetallen, Gold und Silber sind da sehr beliebt, weil sie dann nicht weiter reagieren. Nämlich Gold ist mit so das stabilste Material, was eben nicht oxidiert und damit besonders stabil ist. Und das stellt sich halt heraus, dass das gerade in der Nanometer-Skala besonders bunte Farben hat.

Ein Implantat zu entwerfen, ist nicht so einfach.

<Minute: 17:35>

Dennis Eckmeier: Aber kommen wir zurück zu unserem Problem. Wir wollen eine Möglichkeit finden, kontinuierlich über einen langen Zeitraum Stoffkonzentrationen im Körper zu messen. Das bedeutet, wir müssen einen Sensor implantieren. Ein Implantat zu entwerfen ist aber gar nicht so simpel.

Carsten Sönnichsen: Der Körper toleriert halt nichts, was sozusagen nicht zu ihm gehört. Deswegen muss man das schon gut verstecken. Dinge, die er an sich gar nicht so abstößt, aber irgendwie die da nicht so ganz hingehören, die kapselt der Körper einfach ein. Das ist so eine Vorstufe sozusagen des Abstoßens. Es muss gar nicht unbedingt zu einer richtigen Abstoßung kommen, aber es kommt einfach zu einer Umkapselung. Das ist im Prinzip für ein Implantat erst mal gar nicht so schlimm. Wenn man jetzt ein Zahnimplantat hat oder ein Knochen- oder ein Hüftgelenk oder so. Aber für einen Sensor ist das natürlich tödlich. Der will ja gerade in Kontakt mit dem Ganzen sein. Da muss irgendwie … also das sind so ein paar Problemfelder, die es sehr schwierig machen, einen Sensor in den Körper zu bringen. Mal davon abgesehen, dass der vielleicht ja auch irgendwie Energie braucht und nicht toxisch sein soll und dauerhaft funktionieren. Also es gibt ja jede Menge andere technische Probleme noch.

Bart Geurten: Ein anderes Problem betrifft das Molekül, mit dem man den zu messenden Stoff detektieren kann.

Carsten Sönnichsen: Der klassische Weg etwas nachzuweisen, ist, einen Farbstoff zu nehmen. Das kennt jeder wahrscheinlich von so pH-Papier zum Beispiel, was dann mit einer bestimmten Farbe auf einen pH-Wert reagiert. Und solche Farbstoffe gibt es im Prinzip wie Sand am Meer. Der Nachteil für einen implantierten Sensor ist, dass Farbstoffe eigentlich immer dazu neigen, mit der Zeit auszubleichen.

Bart Geurten: Das läge wohl daran, dass die Farbstoffe Energie aus dem Licht aufnehmen, deshalb verschiedene Reaktionen eingehen und darum verblassen.

Carsten Sönnichsen: Das ist natürlich für einen Sensor sehr unpraktisch, gerade wenn man halt einen Sensor machen möchte, der vielleicht ein Leben lang etwas nachweisen soll, wie zum Beispiel für einen Diabetiker. Der möchte das ja nicht für zwei Wochen oder vier Wochen oder so haben, sondern für mehrere Jahre oder vielleicht sogar Jahrzehnte.

Wer ist Carsten Sönnichsen?

<Minute 19:48>

Dennis Eckmeier: Carsten Sönnichsen hat Lösungsansätze für beide diese Probleme. Er ist Professor für Physikalische Chemie an der Universität in Mainz, wo er die Arbeitsgruppe für Nanobiotechnologie leitet. Sein Einstieg in den akademischen Werdegang war ungewöhnlich.

Carsten Sönnichsen: Man würde das heute so als Schnupperstudium bezeichnen. Ich habe schon meine ersten Scheine in Physik gemacht, als ich noch zur Schule ging. Da hatte ich ein bisschen Glück, dass ich das so hingekriegt habe. Ich bin in einer Großstadt aufgewachsen, also in Hamburg, wo man relativ schnell an die Universität kam. Physik hat mich interessiert, weil ich so gerne so Rätsel lösen mag. Dann musste man damals ja noch Zivildienst machen. Während der Zeit habe ich dann fleißig weiterstudiert. Als ich dann offiziell anfing zu studieren, habe ich dann eigentlich nur noch meine Prüfungen abgelegt zum Vordiplom. Eigentlich damals wollte ich Teilchenphysiker werden. Teilchenphysik ist so das Spannendste, das Elementarste in der Physik. Was sind sozusagen die Bestandteile der Materie? Also noch kleiner als das Elektron und Proton. Was ist denn da drin und wie hängt das alles zusammen? Gerade auch in Hamburg sehr populär. Aber noch viel wichtiger war mir, auch mal ins Ausland zu kommen. Und da hatte ich dann die Chance, nach Cambridge zu gehen, was halt super-attraktiv für mich war. Und dort musste ich mir dann ein Projekt aussuchen und da gab es eine Liste. Da habe ich dann einfach auf dieser Liste geguckt, was ist da interessant? Das war etwas in Richtung Kolloid-Forschung. Da kam ich so ein bisschen zum ersten Mal so auch Richtung Chemie, das ist ja so ein bisschen Teil-, so ein Gebiet, was so ein bisschen an der Grenze ist, und zur Mikroskopie. Da habe ich also entdeckt, dass mich Mikroskopie sehr interessiert. Das konnte ich auch so ganz gut. Ich fotografiere auch gern und so die Optik und so, das hat mir alles viel Spaß gemacht. Da habe ich mir dann überlegt, hinterher meine Doktorarbeit doch mit irgendwas Mikroskopischem zu machen. Und bin dann sehr weit in Deutschland rumgekommen und habe mir so bestimmt 15 Plätze angeguckt und mich mal beworben auf Doktorandenstellen. Dann bin ich in München hängengeblieben in der Nanoforschung. Das verfolgt mich sozusagen seitdem. Dass ich Nanoforschung mache, mich hat das unheimlich fasziniert, wie gerade metallische Nanopartikel, wie tolle optische Eigenschaften die haben und wie man sie halt einsetzen kann für die Biosensorik. Das kombiniert so ein bisschen mein Physikfable mit etwas. Was ich ebenso wichtig finde, ist so das Medizinisch-Biologische und dem Verständnis des menschlichen Lebens oder des Lebens insgesamt auf molekularer Basis.

Wie funktionieren Nano-Biosensoren?

<Minute 22:20>

Bart Geurten: Er forscht also an metallischen Nanopartikeln als Sensoren für biologische Moleküle. Die sind auch sein Lösungsansatz für das Problem des Ausbleichens. Denn wie er schon erwähnte, sind Gold-Nanopartikel bunt. Diese Eigenschaft macht man sich tatsächlich schon lange zu Nutze.

Carsten Sönnichsen: Es gibt Kirchenfenster, die mit solchen metallischen Nanopartikeln gefärbt sind. Das hat man zufällig mal irgendwann quasi entdeckt, ohne dass man wusste in der Zeit, als man die Kirchenfenster gemacht hat natürlich, dass es überhaupt Nanopartikel gibt beziehungsweise, dass es überhaupt Atome gibt. Aber man hat einfach durch Ausprobieren versucht halt, auch sehr naheliegend, dass man vielleicht mal sowas wie ein bisschen Gold oder auch ein anderes Metall mal in so eine Glasschmelze reinschmeißt, um zu gucken, was passiert. Das, glaube ich, kann man sich schon gut vorstellen. Und wenn dann halt zufälligerweise die Bedingungen gerade richtig sind und sich dann da die Chemie richtig einstellt, sodass diese Schmelze dann so kondensiert in kleinen Partikeln, dann kriegt man einen sehr bunten Eindruck, eine sehr stabile Farbe auch und wunderbar leuchtende Farbe.

Dennis Eckmeier: Und diese Gold-Nanopartikel können nicht ausbleichen, weil ihre Farbe eben nicht durch Absorption von Licht entstehen wie bei den üblichen Farbstoffen, sondern durch ihre physikalische Struktur. Okay, prima! Wir haben farbige Partikel, die nicht ausbleichen. Aber Gold ist ja bekannt dafür, dass es nur ganz schlecht mit irgendwas reagiert. Wie können also Gold-Nanopartikel als Sensoren funktionieren? Dazu müssten sie ja eigentlich mit dem Molekül interagieren, das sie messen sollen.

Carsten Sönnichsen: Erst mal richtig ist es, die Nanopartikel an sich reagieren mit ihrer Farbe nicht auf einen spezifischen Analyten.

Bart Geurten: Analyten sind die Stoffe, die gemessen werden sollen. Also zum Beispiel …

Carsten Sönnichsen: Blutzucker oder ein Krebsmarker. Um so einen Analyten nachzuweisen, braucht man auf der Oberfläche der Goldpartikel erst mal einen, wir sagen, Rezeptor, also ein Molekül, was diesen Analyten spezifisch bindet, also nur diesen Analyten bindet und sonst nichts. Das nennen wir einen Rezeptor.

Bart Geurten: Und diese Rezeptoren zu finden oder herzustellen und dann auf Goldpartikel zu bekommen, ist die große Kunst.

Carsten Sönnichsen: Es gibt erst mal in der Medizin ganz viele verschiedene Rezeptoren. Antikörper kennt, glaube ich, jeder so als Rezeptor für bestimmte Moleküle.

Bart Geurten: Allerdings: Nämlich aus den Corona-Antikörper-Schnelltests.

Carsten Sönnichsen: Es gibt auch andere Arten von Rezeptoren. Wir benutzen sogenannte Aptamere, das sind kurze Stücke aus DNA, die man eigentlich missbraucht. Also DNA ist ja normalerweise die Erbinformation, aber man kann aus denen auch Rezeptoren bauen, kann aus denen alles Mögliche bauen. Das ist irgendwie ein ganz heißes Feld gerade in der Chemie, dass man daraus auch Materialien baut. Und die befestigt man dann auf den Goldpartikeln. Das macht man entweder direkt oder über einen Zwischenschritt. Das ist dann sozusagen Chemie. Und Ihre Frage war ja auch: Wie geht das überhaupt, dass man auf Gold etwas befestigt? Das ist schon richtig, dass Gold sehr ungern chemische Verbindungen eingeht. Der einzige Weg, das zu machen, ist eigentlich über die Schwefelatome. Also Schwefel hat eine gewisse Affinität auch für Gold und man kann über Schwefelbrücken, sogenannte Thiole sagt man in der Chemie, relativ gut Moleküle auf Gold, auf Goldoberflächen befestigen.

Bart Geurten: Okay! Sie hatten also einen Rezeptor aus DNA. Warum DNA?

Carsten Sönnichsen: Man muss natürlich versuchen, wenn man jetzt so einen Rezeptor entwickelt oder aussucht für so einen implantierbaren Sensor, einen Rezeptor zu wählen, der dann auch diese Stabilität ermöglicht. Natürlich nützt es nichts, wenn mein Rezeptor mit der Zeit kaputtgeht. Dann nützt mir ja nichts, dass meine Nanopartikel an sich noch da sind. Dann sind sie nicht mehr reaktiv. Das ist eine Herausforderung, der man sich stellen muss. Und das ist etwas, was nicht einfach ist, aber was machbar ist. Es ist ja nicht so, dass organische Moleküle, also es sind ja meistens organische Moleküle, die man dann nimmt, dass organische Moleküle per se immer kaputtgehen. Das sind ja eher so die Farbstoffe, die deswegen sehr schnell reagieren, weil sie halt durch die Lichtenergie erst mal Energie bekommen und dann zum Beispiel mit Sauerstoff dann Reaktionen eingehen.

Bart Geurten: Ein organisches Molekül, das für seine Stabilität bekannt ist, ist eben DNA.

Carsten Sönnichsen: Letztendlich ist das wahrscheinlich auch evolutionär gesehen der Grund, warum sich das als Erbmaterial angeboten hat oder warum Zellen oder die Natur diese Erfindung gemacht hat. Man hat ja 10.000 Jahre alte DNA-Fragmente noch aus Mammutzähnen herausgeholt. Und wir wissen auch alle, dass man in der Kriminalistik DNA auch noch sehr lange nachweisen kann. Also es ist ein sehr stabiles Molekül. Das macht das extrem attraktiv. Und ist auch ein Molekül, was sehr, sehr divers ist. Wir wissen ja alle, dass man aus diesen Basenpaaren beliebige Abfolgen machen kann und dass man über verschiedene Kombinationen dieser Basenpaare dann ganz, ganz schnell ganz, ganz viele verschiedene Strukturen herstellen kann.

Bart Geurten: Dennoch sagt auch Carsten Sönnichsen, dass es eine Herausforderung ist, einen ausreichend stabilen Rezeptor für den jeweiligen Zweck zu designen.

Carsten Sönnichsen: Die Metallpartikel, die haben eine Farbe, weil sie eine kleine Antenne sind, eine Antenne für Licht. Licht ist ja auch quasi wie eine Radiowelle, nur es geht schneller und hat kleinere Wellenlängen. Und da sozusagen sind die Nanopartikel dann die Antennen für diese Wellenlänge, sagt man, das Licht der elektromagnetischen Strahlung. Wenn jetzt irgendwas in der Nähe ist, dann ändert sich so ein bisschen diese Farbe. Das ist ein bisschen so, wie man vielleicht bei einem Radio, grad so älteren Radios, dass man da so ein bisschen die Frequenz verstimmen kann, wenn man da so in die Nähe geht. So die Älteren von uns erinnern sich vielleicht daran, dass man früher manchmal so ein Radio durcheinanderbringen konnte, wenn man da so in die Nähe kam und wegging. Heutzutage ist das ja digital und so weiter, da geht das alles viel besser. Aber das ist sozusagen derselbe Effekt. Wenn etwas in der Nähe der Partikel ist, gerade wenn sich da etwas verändert, dann ändert das so ein klein wenig diese, wir sagen, die Resonanzfrequenz, also die Farbe der Partikel, für die die quasi passen. Für die Antenne passt ja immer für eine bestimmte Farbe des Lichtes eine bestimmte Wellenlänge. Und wenn jetzt ein Analyten bindet, dann ändert sich etwas in der Umgebung. Vielleicht auch der Rezeptor ändert so ein bisschen seine Gestalt, beugt sich vielleicht so ein bisschen zusammen. Und das sieht man dann in einer kleinen Farbänderung. Diese Farbänderung ist sehr, sehr winzig, man sieht die mit dem Auge nicht, man braucht dafür ein Messgerät.

Dennis Eckmeier: Puh! Das war jetzt eine ganze Menge. Lasst mich das mal zusammenfassen. Wir wollten ein Sensormolekül, das möglichst über einen langen Zeitraum farbstabil bleibt, also nicht ausbleicht. Deshalb nimmt Carsten Sönnichsen Gold-Nanopartikel. Die sind farbig, weil, und das ist total verrückt, sie die richtige Größe haben, um als Antennen für Licht zu funktionieren. Ganz so wie Antennen für Radiowellen. Weil Licht elektromagnetische Strahlung ist genauso wie Radiowellen. What? Mind blown! Damit diese Gold-Nanopartikel das Zielmolekül für eine Farbänderung anzeigen können, müssen sie es binden. Wollen sie aber nicht. Deshalb binden die Leute in der AG Nanobiotechnologie ein Sensormolekül aus DNA mit einer ganz bestimmten Reaktion an das Gold. Und wenn jetzt das an das Goldpartikelchen gebundene Sensormolekül das Zielmolekül bindet, verändert das die Antenneneigenschaften des Goldpartikels und damit dann auch ein ganz kleines bisschen seine Farbe. Und das muss man dann messen. Wahnsinn! Ach ja, und dann gab es ja noch das Problem mit der Verkapselung. Die Lösung dazu erfuhr Carsten Sönnichsen ganz nebenbei.

Carsten Sönnichsen: Das habe ich in einem Gespräch während meiner Postdoc-Zeit in San Francisco mal so beim Abendessen erfahren und das fand ich super-faszinierend.

Bart Geurten: Der Clou sind makroporöse Hydrogele. Das hat wohl so eine Konsistenz von Gelee.

Carsten Sönnichsen: Man kann sogenannte makroporöse Hydrogele so machen, dass der Körper die als Art Gewebe annimmt und wirklich auch Adern da durchschickt und das Ganze wächst so ein, dass es sich gar nicht umkapseln kann.

Bart Geurten: Als er all diese Teile theoretisch zusammen hatte, kam ihm also die Idee.

Carsten Sönnichsen: Wenn man in so einer Matrix aus einem Hydrogel, so makroporösem Hydrogel sagen wir, wenn man da Gold-Nanopartikel einbetten würde, die dann einen bestimmten Stoff, wir sagen Analyten, nachweisen können, dann hätte man sozusagen einen Sensor unter der Haut, der reagiert mit einer Farbveränderung auf einen beliebigen Analyten, den man vorher festgelegt hat.

Dennis Eckmeier: Carsten Sönnichsen hatte also diese tolle Idee schon als Postdoc, also vor einer ganzen Weile. Aber spätestens als Professor konnte er doch sicher seine Idee dann einfach so verwirklichen, oder?

Die größte Hürde: Tierversuche

<Minute 32:25>

Carsten Sönnichsen: Mir war eigentlich von Anfang an klar, dass man so eine Art Sensor nur dann vernünftig testen kann, ob er funktioniert, wenn man das tatsächlich auch an lebenden Objekten, also sprich, an einem Versuchstier macht. Weil so einen Sensor zu bauen, der etwas an einem Analyten nachweist in einem Reagenzglas, also im Labor sozusagen, ist nicht weiter schwer, aber die Herausforderung ist halt, so etwas in einem lebenden Säugetier, sag ich mal, immer noch hinzukriegen. Also auch durch die Haut und mit all den ganzen Komplikationen, die natürlich auch die Farbveränderungen, die man halt, auch die Haut so hat. Das ist natürlich für jemanden, der jetzt aus dem Bereich der Chemie kommt, Physik kommt, nicht so naheliegend, dass man irgendwie mal eben etwas mit einem Tier macht.

Bart Geurten: Tierversuche macht man nicht einfach so. Für Jahre blieb die Idee an dieser Hürde hängen.

Carsten Sönnichsen: Über Kontakte sozusagen habe ich erfahren, dass jemand in Mainz eine Stelle sucht, der Erfahrung mit Tierexperimenten hat, der Thies Schroeder, und der auch schon mal so ähnliche Sachen gemacht hat. Und den habe ich dann kennengelernt, wir haben uns unterhalten. Der hatte sofort Feuer und Flamme für dieses Projekt auch entwickelt und hat sozusagen genau die komplementären Fähigkeiten gehabt zu dem, was ich so mitbringe. Zusammen mit vielen weiteren Mitarbeitern haben wir dann auch noch die Frau Kaefer, die diese Studie als ihre Doktorarbeit gemacht hat, gefunden, die dann sozusagen dieses Projekt auch vorangetrieben hat. Und alle die Leute, die dann noch auf dieser Veröffentlichung stehen, die haben dann immer Teilaspekte sozusagen da auch noch mit beigetragen, von den Nanopartikeln-Herstellungen und deren Funktionalisierung bis hin zu den Tierexperimenten und der dafür nötigen Facility sozusagen, wo man überhaupt sowas machen kann. Die Tiere muss man ja auch irgendwie halten und das wird ja auch in einer Narkose dann gemacht und so. Das ist also nicht einfach so, dass man das mal eben so schnell machen kann. Das muss man schon natürlich mit Leuten zusammen machen, die wissen, wie man sowas tut.

Dennis Eckmeier: Aber noch einmal langsam. Was genau muss man denn alles machen, bevor man Tierversuche machen kann?

Carsten Sönnichsen: Erst mal kennt man sich natürlich damit gar nicht aus. Das ist die erste Hürde. Man weiß gar nicht, was man tun muss. Dann kam halt, wie gesagt, der Thies Schroeder nach Mainz und ich hatte dann auch das Glück, dass ich über gewisse Mittel verfügte noch, die mir die Universität zur Verfügung gestellt hat, dass ich meine Professur bekommen habe. Und wir haben dann einfach die nötigen Gerätschaften gekauft, also so eine Narkoseeinheit und später dann noch so einen Schrank, wo man die Tiere so halten kann. Und gewisse Dinge, die man einfach braucht in einem Labor, wo man Tierversuche machen darf. Wir hatten Gott sei Dank auch überhaupt einen Raum dafür. Das ist ja auch immer gar nicht so einfach, ein Labor zu finden, wo man Platz hat.

Bart Geurten: Damit ist es natürlich noch lange nicht getan. Man muss auch wissen, wie es geht.

Carsten Sönnichsen: Man muss da natürlich auch eine gewisse Expertise dann erst mal nachweisen, bevor man so einen Tierversuchsantrag stellen kann. Da hat also auch der Thies Schroeder sich sehr engagiert. Gerade in der Anfangszeit auch hatte er dann Kontakt zur Uni-Medizin, zu dem Herrn Kempski, der dort eine kleine Tiereinheit aufgebaut hat und geleitet hat. Und glücklicherweise waren die so nett, dass sie sich sozusagen auch für dieses Projekt interessiert haben und da so ganz viel auch praktisch mitgeholfen haben, uns gezeigt haben, wie man zum Beispiel so eine Ratte anästhesiert, wie man da auch dann diese Operationen durchführt, sodass man da so einen Sensor unter die Haut bringt. Und all diese Dinge hätten wir ohne deren Unterstützung auch so nicht hingekriegt. Es gibt natürlich auch Schulungen, Frau Kaefer hat natürlich da auch die entsprechenden Kurse besucht.

Dennis Eckmeier: Professor Sönnichsen persönlich hat die Ausbildung nicht gemacht und deshalb natürlich auch nicht die Versuche.

Carsten Sönnichsen: Das hat halt die Katharina Kaefer zusammen mit dem Thies Schroeder und später dann noch mit der Katja Krüger, die das Projekt dann übernommen hat von der Frau Kaefer, durchgeführt, und wie gesagt, mit den Kollegen aus der Medizin zusammen.

Bart Geurten: Womit er auch keine Erfahrung hatte, sind die Schwierigkeiten, die sich dadurch ergeben, dass Lebewesen viel weniger berechenbar sind als so ein Reagenzglas.

Carsten Sönnichsen: Ich musste natürlich das Projekt auch wissenschaftlich begleiten. Und es ist schon so, dass man auch erst mal lernen muss, mit so Daten umzugehen, die man jetzt in so einem Tier gemessen hat. Es ist doch für jemand, der sonst so im Labor misst, eine ganz andere Welt. Normalerweise machen wir Experimente an, sagen wir mal, 1000 Nanopartikeln parallel, und das Experiment wiederholen wir zehnmal und dann haben wir 10.000 Datenpunkte. Wenn man mit Tieren Experimente macht, dann ist man froh, wenn man 10 hat. Also meistens fängt man mit 10 an und dann zwei, drei Tieren geht’s irgendwie nicht gut, und dann lässt man die rausfallen. Irgendwie, es geht immer irgendwas schief und man hat am Ende vielleicht 5, wo man tatsächlich Daten gewinnt. Da muss man mit sehr viel weniger an Messdaten irgendwie klarkommen. Und das Ganze ist auch nicht so gut kontrolliert. So ein Sensor, der unter der Haut ist, der kann auch sich zum Beispiel mal so verbiegen, kann irgendwie ein bisschen zerbrechen und in zwei Teile zerbrechen. Dann hat man plötzlich zwei Sensoren, die so ein bisschen in der Nähe liegen. Das sind lauter so Dinge, wenn man halt so Physikexperimente macht oder Chemieexperimente, dann würde man an der Stelle einfach noch mal von vorne anfangen. Dann würde man sagen, das Experiment hat nicht geklappt. Aber ich meine, so ein Versuchstier, das ansonsten glücklich und zufrieden ist, da macht man natürlich weiter mit dem Tier. Da würde man ja jetzt nicht aufhören an der Stelle. Ist ja ganz klar.

Dennis Eckmeier: Allerdings! Nach den geltenden Regeln für Tierversuche soll man natürlich sorgsam mit den Tieren umgehen und nicht unnötig viele verwenden.

Carsten Sönnichsen: Den Tieren geht es im Übrigen bei uns sehr gut, will ich noch mal dazusagen. Weil das ist natürlich auch ethisch immer eine Sache, wo wir uns auch immer viel Gedanken machen. So einem Tier, dem möchte man ja auch ein vernünftiges Leben ermöglichen. Und den Ratten bei uns, glaube ich, denen geht es ausgesprochen gut. Die werden sehr liebevoll gepflegt und die merken also an dieser ganzen Geschichte gar nichts. Sie kriegen ihr Implantat in einer Narkose verpasst und auch die Experimente laufen unter Narkose ab. Werden da ganz professionell überwacht von einer zweiten Person, die die Narkose überwacht. Und das ist also so, dass die auch dann lange Zeit noch bei uns weiter ihr Dasein fristen können, wie gesagt, dann mit artgerechter Haltung und liebevoll gefüttert und getätschelt. Denen geht es wirklich da sehr gut.

Bart Geurten: Nun hatte die Forschergruppe also alles beisammen, die Räume, die Tiere, die Ausrüstung, die Mitarbeiter*innen, die Ausbildung und auch die Genehmigungen.

Dennis Eckmeier: Aber jetzt konnten sie endlich ihre Idee schnell testen, oder?

Die Technologie Entwickeln und Testen

<Minute 40:08>

Carsten Sönnichsen: So einen Sensor überhaupt erst mal herzustellen, das hat schon mal sehr, sehr lange gedauert, bis man das so hingekriegt hat, dass wir wirklich die beschichteten Nanopartikel in so einer Hydrogel-Matrix mit großen Poren drin, wo Adern reinwachsen, dass wir so etwas hergestellt haben. Als wir das dann geschafft haben und das auch tatsächlich eingewachsen ist in den Tieren, mussten wir dann ja noch ein Gerät bauen, um dann auch die Farben ganz genau zu messen.

Bart Geurten: Das Gerät braucht man nicht nur, weil man kleine Farbänderungen messen muss, sondern auch, weil die Farbänderungen im Infrarotbereich passieren. Die könnte man mit bloßem Auge also gar nicht sehen. Im Infrarotbereich sind die Partikel aber stark gefärbt, sodass man die Änderungen auch durch die Haut messen kann.

Carsten Sönnichsen: Das hat auch eine ganze Weile gedauert und war auch gar nicht so einfach, so ein Gerät dann so zu machen, dass es halt auch wirklich zuverlässig das messen kann, durch die Haut sozusagen durch. Und da diese Farbveränderungen sehr, sehr klein sind, muss das sehr präzise passieren. Dafür haben wir mehrere Geräte gebaut. Also das ist jetzt, glaube ich, jetzt sind wir bei der dritten Generation. Haben immer wieder das verbessert, um das noch genauer, noch benutzerfreundlicher auch zu gestalten so ein Gerät. Dann war natürlich die Frage: Für welchen Stoff machen wir das sozusagen? Da haben wir uns dann entschieden, eben nicht Diabetes erst mal zu machen, sondern ein Medikament zu nehmen. Das war auch so ein bisschen pragmatische Entscheidung, weil wir für dieses Medikament einfach einen geeigneten Rezeptor hatten. Und diesen Rezeptor, den konnten wir bestellen. Und dann haben wir also für dieses Antibiotikum sozusagen immer das dann den Tieren injiziert und geguckt, ob unser Sensor entsprechend die Farbe ändert.

Dennis Eckmeier: Natürlich geht Wissenschaft nicht immer sofort glatt.

Carsten Sönnichsen: Manchmal klappt‘s auch einfach nicht, das muss man ja auch sagen. Also manchmal sind die Sensoren auch so, dass die dann doch nicht so richtig durchblutet wurden. Dann kommt natürlich auch von dem Antibiotikum nichts da an.

Dennis Eckmeier: Das war mir auch entgangen. Die Durchblutung ist nicht nur wichtig, um Verkapselung und Abstoßung zu vermeiden. Das Blut muss natürlich auch den Stoff zum Sensor bringen. Und wenn man dann einen implantierten Sensor hat, der auch gut durchblutet zu sein scheint, dann ist man sich immer noch nicht sicher, ob man da jetzt wirklich sieht, was man glaubt zu sehen.

Carsten Sönnichsen: Aber die Frage ist ja immer, diese Veränderung, ist das jetzt Zufall oder ist das wirklich, weil ich etwas zugegeben habe? Also weil ich dieses Medikament zugegeben habe, deswegen hat sich mein Sensor verändert. Und an der Stelle habe ich dann meinen Mitarbeiter*innen da geraten, wenn man das nicht so genau weiß, dann gebe ich mal verschiedene Mengen zu. Und wenn das dann in die richtige Richtung geht, also wenn ich mehr zugebe und ich messe dann auch mehr, dann bin ich eigentlich schon ziemlich sicher, dass das echt ist. Weil ist ja irgendwie schon ein merkwürdiger Zufall, wenn das immer in dieselbe Richtung geht. Insbesondere, wenn ich das jetzt mehrfach mache. Also ich gebe eine Menge zu, zweite dann doppelt so viel, und dann vielleicht noch mal doppelt so viel, und es geht immer so weiter. Das war letztendlich auch dann das Experiment, was wir veröffentlicht haben, wo wir gesagt haben: Jetzt glauben wir das wirklich, dass das stimmt. Also, dass das, was wir da messen, tatsächlich echt ist.

Bart Geurten: Das ist ein ganz wichtiger Punkt, den alle Wissenschaftler, die Experimente machen, verinnerlichen. Man muss Zufallsergebnisse ausschließen. Die Gruppe von Carsten Sönnichsen hat einen Sensor für ein Antibiotikum entwickelt und will jetzt wissen, ob der richtig funktioniert. Tatsächlich haben sie ein Signal bekommen. Aber kommt das wirklich daher, dass der Sensor das Antibiotikum bindet? Um sich zu vergewissern, haben sie getestet, ob das gemessene Signal auch stärker wird, wenn sie mehr Antibiotikum verabreichen, und schwächer, wenn sie weniger verabreichen. Also ob das Signal mit dem Antibiotikum korreliert. Frau Kaefer, die Doktorandin, und Frau Krüger haben diesen Versuch mehrfach wiederholt. Auch das muss man als experimenteller Wissenschaftler machen, um wirklich sicherzugehen. Außerdem wurden auch noch einige weitere Versuche gemacht, um Fehler auszuschließen und verschiedene Eigenschaften des Sensors zu testen.

Dennis Eckmeier: Schlussendlich war dann klar: Es hat geklappt, die Sensoren funktionieren in der Ratte.

Wie geht es weiter?

<Minute 44:38>

Bart Geurten: Prima! Jetzt ist die Frage: Was passiert als nächstes? Natürlich würde Carsten Sönnichsen gerne sehen, dass die Technologie den Weg in den Patienten findet. Dazu muss sie aber natürlich auch im Menschen getestet und für den Menschen angepasst werden.

Carsten Sönnichsen: Viele medizinische Fragestellungen, würde ich das jetzt mal so sagen, die sind da noch offen. Aber es liegt natürlich auch an der Natur der Dinge, dass wir keine Mediziner sind und solche Experimente jetzt am Menschen schon mal gar nicht durchführen könnten und auch nicht wollen letztendlich. Das ist etwas, was in den Bereich der Medizin gehört.

Dennis Eckmeier: Was man zum Beispiel herausfinden müsste, wäre, wie die Sensoren in der menschlichen Haut funktionieren. Die Haut von Ratten und Menschen ist ja vielleicht nur bedingt vergleichbar.

Carsten Sönnichsen: Diese Ratten, die wir benutzt haben, sogenannte haarlose Raten, also das ist so ein bestimmter Rattenstamm, man könnte auch sagen so Nacktratten, würde ich das jetzt so nennen, also die haben kein Fell, die werden schon durchaus gerne benutzt als Modell für die menschliche Haut. Das ist nicht so, dass das jetzt ganz unüblich ist. Wir sind auch extra auf Ratten gegangen und nicht bei Mäusen, was ja sonst viel benutzt wird als Versuchstier, weil die tatsächlich eine sehr dünne Haut haben. Noch besser wären Schweine, also Schweinehaut ist wohl der menschlichen sehr ähnlich, gerade in bestimmten Bereichen. Ich weiß nicht, am Bauch oder so haben Schweine eine Haut, die sehr stark der menschlichen ähnelt. Aber ich meine, aus naheliegenden Gründen ist das jetzt nicht so einfach. Ich glaube, die Universität würde sich auch bedanken, wenn ich jetzt sagen würde, ich möchte da jetzt Schweine halten.

Bart Geurten: Bei der Übertragung auf den Menschen muss man, was die Haut angeht, vielleicht auch darauf achten, dass sich die Haut im Laufe des Lebens verändert. Die Haut älterer Menschen, die ja häufiger an chronischen Erkrankungen leiden, ist anders als die jüngerer Menschen. Und auch wie die Sensoren mit verschiedenen Haut-Pigmentierungen funktionieren, müsste man erst ausprobieren.

Dennis Eckmeier: Aber medizinische Fragen werden nicht von der Arbeitsgruppe Nanobiotechnologie beantwortet werden. Carsten Sönnichsen möchte trotzdem seinen Teil tun, dass die Technologie ihren Weg in die Anwendung findet.

Carsten Sönnichsen: Ich bin davon überzeugt, dass die gut funktionieren kann, und ich möchte dafür beitragen, dass die halt auch weitergetrieben wird in der medizinischen Anwendung, indem ich mit Medizinern zusammen dann da Entwicklungen vorantreibe. Aber es ist sicherlich so, dass meine Kompetenz dann eher im Bereich der Messtechnik und vielleicht auch teilweise im Bereich der Chemie da liegt. Das ist auch das, was jetzt in meiner Arbeitsgruppe, wo wir mit eher uns beschäftigen. Also wie kann man zum Beispiel diese Auslesegeräte noch besser bauen, sodass die noch genauer da die Farbe dieser Partikel messen können? Wie können wir die Nanopartikel so machen, dass sie vielleicht ein bisschen mehr Farbe ändern? Oder wie können wir diese Implantate noch besser herstellen, dass die vielleicht auch mehrere Analyten nachweisen können? Solche Arten von Fragen, das ist eher was in meiner Arbeitsgruppe, wo wir Kompetenz haben und wo wir auch Ideen haben und an der Stelle forschen werden.

Bart Geurten: Aber man könnte sich ja für die klinische Entwicklung auch Partner suchen, die die entsprechenden Kompetenzen und Möglichkeiten haben?

Carsten Sönnichsen: Ja gut, also natürlich suchen wir Kooperationspartner und es sind auch schon einige im Gespräch. Ist jetzt noch nicht so weit gediehen, dass wir jetzt tatsächlich schon eine Kooperation haben. Der nächste Schritt wäre da auch erstmal, dass man dann Ideen entwickelt und dann auch ein Projekt an den Tag stellt. Man muss ja auch für solche Sachen immer erst mal Geld irgendwie einwerben. Und dann ist es natürlich in der Wissenschaft auch üblich, dass man Sachen publiziert. Die Publikation soll ja auch dazu dienen, dass man sozusagen anstößt, dass andere Leute das auch machen können. Das ist halt in der Wissenschaft so üblich und auch gewollt. Natürlich hat man immer den Anspruch, dass man am liebsten immer irgendwie überall dabei ist und das dann selber vorantreibt. Allerdings freue ich mich natürlich auch, wenn andere auf den Zug aufspringen und das auch machen. Das ist irgendwo Konkurrenz natürlich, aber das gehört zur Wissenschaft halt dazu. Und wir werden ja auch bezahlt sozusagen unabhängig davon, ob wir jetzt ein Produkt entwickeln oder nicht. Wir sind ja an der Universität erst mal auch für andere Dinge beschäftigt. Und das ist halt sozusagen, wie die Wissenschaft funktioniert. Also man veröffentlicht Dinge und schafft sich sozusagen damit die eigene Konkurrenz und hofft dann, dass das ganze Feld vorangeht und stellt sich sozusagen dem Konkurrenzdruck. Also das geht sozusagen in beide Richtungen. Einerseits machen wir weiter und andererseits hoffen wir und fürchten gleichzeitig ein bisschen, dass andere uns da nachmachen. Ich hoffe mal einfach, dass die uns da nicht völlig überholen und uns dann links liegen lassen.

Dennis Eckmeier: Tatsächlich hat es auch etwas für sich, als Pionier neue Wege für Forschung und Entwicklung aufzutun.

Carsten Sönnichsen: Das, was ich zum Beispiel in meiner Doktorarbeit gemacht habe, das Thema, dass man überhaupt mit diesen Nanopartikeln Sensorik macht, das war damals ganz neu und wir waren damit eine der ersten Gruppen, die sowas überhaupt gemacht hat. Das ist inzwischen so, dass es Hunderte, wenn nicht gar Tausende auf der Welt gibt, die in der Richtung was machen. Und das ist natürlich auch irgendwie schön.

Bart Geurten: Wohin könnte diese Entwicklung der Medizin uns bringen?

Carsten Sönnichsen: Ich stelle mir vor, dass sich die Medizin in den nächsten, sagen wir mal, 30 Jahren ganz extrem stark weiterentwickelt in eine Richtung, wo man sehr viel stärker mit Messdaten medizinische Entscheidungen fällt und Therapien und Behandlungen durchführt. Und dass wir sehr viel stärker uns auf die molekularen Grundlagen der Krankheiten, dass wir da sehr viel besser verstehen, was da eigentlich genau passiert für bestimmte Krankheiten und dass wir dann auch sehr viel zielgerichteter uns mit diesen Dingen auseinandersetzen. Man sieht jetzt auch in der Corona-Pandemie erste Hinweise darauf, dass sowas ja schon stattfindet. Dass wir sozusagen solche Viren standardmäßig inzwischen erkennen und nachweisen und dass wir sozusagen weg sind davon, dass wir zum Arzt gehen und der uns abhört und sagt, das hört sich jetzt nicht gut an, das ist wahrscheinlich eine Bronchitis oder so, sondern dass wir einen Test machen. Dass wir irgendwie einen Nasenabstrich machen oder so und dann sehen wir, das ist dieser Virus, das ist jener Virus. Dafür sind, glaube ich, implantierbare Sensoren durchaus ein Baustein, der ganz wichtig ist. Das wird natürlich jetzt nicht der einzige Baustein in der Medizin, das ist ganz klar, natürlich werden auch weiter Bluttests, klassische Bluttests eine Rolle spielen. Für chronische Dinge, also Sachen, chronische Krankheiten, die über längere Zeiträume ablaufen oder auch Überwachungen, die ich über längere Zeiträume machen möchte. Ich denke da, also ich hatte ja schon Diabetes erwähnt oder auch vielleicht Krebsfrüherkennung. Oder man könnte auch an psychische Krankheiten denken, wo man vielleicht bestimmte Psychopharmaka den Spiegel überwachen muss. Und ich kann mir noch viele andere Dinge vorstellen, wo man vielleicht aufpassen möchte, auch gerade im Alter vielleicht, ob jemand genügend trinkt oder ob die Sauerstoffsättigung ausreichend ist und lauter solche Dinge, wo man sich vorstellen kann, da ist es schon nützlich, wenn ich das sozusagen dauerhaft überwachen könnte. Und ich könnte mir gut vorstellen, dass man in Zukunft sowas wie man ja jetzt auch schon oft sich selbst überwacht mit so einer Smartwatch, dass sowas noch stärker eine Rolle spielt. Und dass man vielleicht so ein ähnliches Gerät wie eine Smartwatch irgendwo am Körper trägt, die so einen implantierten Sensor dann auslesen kann und dann bestimmte Parameter, die einen interessieren, dann überwachen kann. Ich könnte mir durchaus vorstellen, dass das dann auch eine Art Entscheidung wird, die man als Individuum dann fällen kann. So wie nach dem, also ob ich halt sowas machen möchte oder nicht.

Dennis Eckmeier: Wenn Carsten Sönnichsen von Überwachung spricht, meint er natürlich, dass der Mensch seinen eigenen Körper selbst überwacht. Zwar sei Missbrauch nie auszuschließen, aber in einer freien Gesellschaft sei das, seiner Meinung nach, keine große Gefahr.

Förderung für freie Forschung!

<Minute 53:41>

Bart Geurten: Eine Message lag ihm am Ende noch am Herzen.

Carsten Sönnichsen: Ich möchte eine Lanze brechen auch für diese freie Forschung. Also dieses Projekt ist von Anfang bis Ende eigentlich nie wirklich durch einen klassischen Antrag gefördert worden. Ich glaube, das hätte auch nie funktioniert, weil wir auf diesem Gebiet überhaupt keine Kompetenzen, Vorarbeiten haben. Und ich glaube, die meisten Gutachter hätten sofort gesagt, der Herr Sönnichsen, der hat doch gar keine Ahnung von Medizin, der ist Physiker, das funktioniert so nicht, was der sich da alles vorstellt. Wir haben das große Glück gehabt, dass es in Deutschland immer noch relativ großzügige Förderung gibt für Forschung an den Universitäten, die nicht zweckgebunden ist. Das wird leider immer weniger und ist auch im Moment nur noch so, dass man als neu berufener Professor so eine Art Startkapital bekommt, um sowas mal zu machen. Also das hat man halt einmal diese Chance und das war sozusagen das, worüber wir diese ganze Forschung finanziert haben. Das war also nicht so, dass wir da Geldgeber hatten. Es gab dann, vielleicht muss ich das fairerweise schon noch sagen, das Land Rheinland-Pfalz hat uns dann tatsächlich doch nochmal auch unterstützt in einem Projektantrag. Das ist allerdings nicht eine klassische hochkompetitive Förderung, sondern das ist ein relativ kleines Landesprogramm zur Innovationsförderung, was ich auch sehr schätzen will und auch sehr gut finde, dass es so etwas hier gibt. Ich will das jetzt nicht kleinreden, nur, das kann man nicht vergleichen mit jetzt der Deutschen Forschungsgemeinschaft, die Tausende von Förderanträgen jedes Jahr bewilligt und bekommt. Und wo man wahrscheinlich mit so einem Projekt ohne eigene Vorarbeiten keine Chance hätte.

Dennis Eckmeier: Er hat auch erzählt, dass er auf Ebene der EU als Gutachter für Forschungsanträge tätig ist. Er sagt, auf der Ebene sei man auch noch recht frei. Allerdings werden auch da immer mehr Voraussetzungen und Zielvorgaben und detailliert durchgeplante Forschungsprojekte gefordert.

Carsten Sönnichsen: Natürlich möchte die Öffentlichkeit auch irgendwo das Geld nicht zum Fenster rausschmeißen. Das ist ja auch völlig klar. Und ich verstehe auch, da geht’s auch um wirklich viel Geld, also Millionen. Man kann nicht einfach sagen, jeder, der möchte, kriegt jetzt mal eine Million. Also irgendwo verstehe ich das schon, dass man da eine gewisse Qualitätssicherung auch machen will. Andererseits funktioniert das auch nicht, wenn man so etwas wie kreative Forschung irgendwie haben möchte, wenn man das zu eng macht. Und ich denke, da muss man eine gute Balance zu finden. Wir müssen irgendwie auch als Gesellschaft sozusagen aufpassen, dass die Balance nicht in die falsche Richtung geht und dass wir zu restriktiv werden. Ich denke, in anderen kreativen Bereichen wie meinetwegen Filmförderung oder anderen Kunstbereichen, da sieht man ja auch sehr gut, wie schwierig das ist. Dass man auch sehr viel Geld nehmen kann und trotzdem am Ende mittelmäßig viel Erfolg nur hat. Das liegt dann vielleicht auch ein bisschen manchmal daran, dass man nicht genügend Mut hat.

Nachgespräch

<Minute 57:27>

Dennis Eckmeier: Mann! Was für eine Arbeit das war, diese Forschung durchzukriegen, oder?

Bart Geurten: Ja. Von Medizin über Biologie, Physik und Chemie beinhaltet das im Endeffekt eigentlich alle naturwissenschaftlichen Forschungsbereiche. Und ich schätze mal, irgendjemand muss da auch die Software für das Gerät schreiben. Insofern wird auch ein guter Teil Informatik da mit drinstecken. Auch ein sehr beeindruckender Lebenslauf, der im Endeffekt akademisch schon mit dem Vordiplom gestartet hat. Für die älteren Semester ist das ein Begriff, für die jüngeren: Das Vordiplom war so in etwa äquivalent mit einer reinen Prüfung zum Bachelor ohne Abschlussarbeit.

Dennis Eckmeier: Ja genau!

Bart Geurten: Von diesem historischen Exkurs abgesehen fand ich besonders spannend aber eigentlich seine Meinung zu der Deutschen Forschungsförderung, die ich sehr stark teile. Es gibt nämlich wenig Anreize der DFG wirklich spannende und kreative Forschung zu machen.

Dennis Eckmeier: Das ist bei mir schon eine Weile her, dass ich mich das letzte Mal bei der DFG beworben habe. Da hatte ich auch so das Gefühl, ich hatte im Prinzip das Experiment schon einmal gemacht, komplett durch, alles fertig gemacht, und habe dann gesagt so, ich möchte dasselbe Experiment in einer anderen Sorte Maus noch zweimal machen. Und dann haben sie gesagt: Ja, nee. Also das schaffen Sie nicht in der Zeit. Also es ist extrem konservativ, ist meine Erfahrung mit der DFG. Und gerade in der Wissenschaft finde ich das so merkwürdig, weil Wissenschaft ist ja das Erkunden des Unbekannten. Da gibt es keine Garantien, dass irgendwas funktioniert. Da muss man auch ein bisschen mutig sein manchmal.

Bart Geurten: Andererseits gibt es mittlerweile auch modernere Fördereinrichtungen wie zum Beispiel die VolkswagenStiftung, die einen Teil ihres Fördergeldes per Zufall vergibt. Das klingt zu Anfang erst mal unsinnig, funktioniert aber ganz hervorragend. Weil wir festgestellt haben, dass die meisten Kriterien, die Menschen an Forschung an den Tag legen, gar nicht mal so sehr die, ich sag mal, großen Projekte herauspicken, sondern ganz häufig sind das eben jene Projekte, die sozusagen nie gefördert werden würden. Wenn die per Zufall eine Förderung erlangen, dann auf einmal einen sehr großen Benefit für die gesamte Gesellschaft erzeugen.

Dennis Eckmeier: Das finde ich sowieso generell eine super Idee, dass man zumindest so einen Anteil hat der …

Bart Geurten: … randomisiert vergeben wird.

Dennis Eckmeier: … Forschungsprojekte, der randomisiert vergeben wird. Weil selbst, ich war ja eine Zeit lang in den USA und da haben wir auch mal eines dieser hohen Tiere von der NIH zu Besuch gehabt. Die NIH ist der große Förderer von gesundheitsrelevanter Forschung, also medizinischer Forschung, biomedizinischer Forschung. Die haben sogar ein Programm, das wirklich so mutige Projekte fördern soll. Aber die Gutachter sind trotzdem immer sehr konservativ, sodass selbst dieses Programm nicht wirklich funktioniert, also nicht wirklich die richtig mutigen Sachen fördert. Ich glaube, das liegt an der Natur des Menschen, und die muss man dann einfach mal auch sein lassen. Dass man das eben dem Zufall überlässt, statt darüber zu entscheiden. Ich bin ja der Meinung generell, dass man eigentlich nur gucken sollte, ob das Projekt Sinn ergibt, und gar nicht mal so gucken muss, was haben die Leute, die das machen wollen, vorher gemacht und so. Weil das kann man ja immer lösen, das sind ja alles Sachen, die kann man lernen, da kann man sich Hilfe holen. Das hat ja auch der Herr Sönnichsen gemacht. Das, glaube ich, ist eigentlich immer machbar, das fließt aber immer ganz viel in diese Gutachten ein. Und die Qualität der eigentlichen Forschungsidee, also ich habe ja nie Gutachten gemacht und so, das ist halt so mein Eindruck, scheint mir da ein bisschen wenig, also zu wenig Gewicht zu haben, wenn diese Entscheidungen gefällt werden.

Schlussworte

<Minute 1:01:32>

Herzlich bedanken möchte ich mich bei Prof. Carsten Sönnichsen, Leiter der Nanobiotechnologie-Arbeitsgruppe der Universität Mainz, für das sehr interessante Gespräch.

Bart Geurten: Seine Forschung wurde finanziert durch ein Starterpaket der Universität Mainz und ein Förderprogramm des Landes Rheinland-Pfalz.

Dennis Eckmeier: Wenn dir unsere Expedition in die Forschung gefallen hat, dann abonniere doch mal den Podcast. Der sollte inzwischen auf allen gängigen Podcast Apps verfügbar sein, definitiv auf Spotify, Apple Podcasts, Google Podcasts und auch auf YouTube. Alle Infos zur Folge gibt es in den Shownotes und auf expeditionindieforschung.de.

Bart Geurten: Fragen, Vorschläge, Kritik und welche Wissenschaftsmeldung am Anfang ihr am spannendsten fandet, könnt ihr entweder in die Kommentare schreiben oder per E-Mail an kontakt@expeditionindieforschung.de.

Dennis Eckmeier: Danke fürs Zuhören! Tschö!

Bart Geurten: Ciao!

One thought on “Implantate unter der Haut – Nanopartikel als Gesundheits-Tracker? – Transkript

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