Physik und Medizin Hand in Hand

  • 25. July 2017

Neues Zentrum für Physik und Medizin fördert inter­diziplinäre Zusammen­arbeit.

Bei manchen Krank­heiten sind üble Kräfte am Werk. Und das im ganz physi­kalischen Sinn. Denn wenn im Körper eine Entzündung, eine Infektion oder gar ein Tumor entsteht, kommt es zu einer Schwellung, die sowohl auf das betroffene als auch auf das umliegende Gewebe Kräfte ausübt. Solche physi­kalischen Faktoren und die sich daraus ergebenden Therapieansätze werden Wissen­schaftler am Zentrum für Physik und Medizin (ZPM) in Erlangen erforschen. In dem Zentrum schließen sich das Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL), das Universitäts­klinikum Erlangen und die Friedrich-Alexander-Uni­versität Erlangen- Nürnberg (FAU) zusammen, um medi­zinisch relevante Fragen der Biophysik und Bio­mathematik zu klären. Heute unterzeichneten die Vertreter der Max-Planck-Gesell­schaft, der Friedrich-Alexander-Univer­sität Erlangen-Nürnberg und des Universitäts­klinikums Erlangen den Kooperations­vertrag für das Projekt, das die Bayerische Landes­regierung mit 60 Millionen Euro fördert.

Abb.: Ein Sensor für einzelne Proteine identifiziert unmarkierte Biomoleküle anhand des schwachen Schattens, den die Teilchen erzeugen, wenn sie Licht streuen. (Bild: MPL)

Abb.: Ein Sensor für einzelne Proteine identifiziert unmarkierte Biomoleküle anhand des schwachen Schattens, den die Teilchen erzeugen, wenn sie Licht streuen. (Bild: MPL)

Die moderne Medizin ist schon lange ohne Physik nicht mehr denkbar, denn ohne deren Errungen­schaften gäbe es weder ein Stethoskop noch ein Röntgen­gerät, vom Kernspin­tomografen oder Posi­tronen-Emissions-Tomog­rafen ganz zu schweigen. „Die Physik bietet bisher ungeahnte Möglich­keiten erkranktes Gewebe zu untersuchen und zu charak­terisieren, um Erkran­kungen zu erforschen und zu beein­flussen“, sagt Georg Schett, Direktor der Medi­zinischen Klinik 3 für Immuno­logie und Rheuma­tologie des Universitäts­klinikums Erlangen. Genau diese Möglich­keiten wollen die Wissen­schaftler nun ausschöpfen. „Das Zentrum für Physik und Medizin wird weltweit einmalig sein, weil wir hier stärker als in vergleich­baren Einrich­tungen physi­kalische Prozesse in den Blick nehmen, die bei der Entstehung von Krank­heiten eine Rolle spielen und vielleicht neue Therapien ermög­lichen“, sagt Vahid San­doghdar, Direktor am MPL und einer der Ini­tiatoren des Zentrums.

Die Forscher des ZPM werden unter anderem die akuten und chro­nischen Entzündungs­prozesse untersuchen, die auch für viele Krebs­erkrankungen relevant sind. „Was Mediziner bislang über Entzün­dungen wissen, beruht vor allem darauf, dass wir einzelne Zellen aus dem Gewebe isolieren und analysieren, wie sich diese verhalten“, sagt Markus F. Neurath, Direktor der Medi­zinischen Klinik 1 für Gastro­enterologie, Pneumologie und Endo­krinologie. „Wir wissen aber noch nicht viel über die Vorgänge in den Zellzwischen­räumen und in einem größeren Zell­verband im lebenden Organismus.“

Zudem betrachten Mediziner Entzün­dungen derzeit vor allem bio­chemisch und konzen­trieren sich auf die Proteine, die solche Verän­derungen kontrol­lieren. „Wir sind aber überzeugt, dass es sich lohnt auch die physika­lischen Prozesse von Ent­zündungen besser zu verstehen“, sagt Georg Schett. „Die Bio­mechanik von Ent­zündungen und Tumoren etwa ist komplett unklar.“ Mediziner beobachten, dass sich Zellen eines Entzündungs­herds und eines Tumors extrem effizient bewegen und so für die Ausbreitung der Krankheit sorgen. Wie sie das in dem dichten Zellverband ihrer Umgebung schaffen, ist aber noch nicht bekannt. Daher möchten die Forscher des ZPM heraus­finden, wie und warum sich Steifig­keit und Elas­tizität von Zellen verändert, wenn sie krank werden. Wenn Mediziner solche Zusammen­hänge besser kennen, könnten sie versuchen, die mecha­nischen Eigenschaften gezielt zu beeinflussen und so die Ausbreitung einer Krankheit zu ver­hindern.

Um die physi­kalischen Faktoren bei der Entstehung und Behandlung von Krank­heiten untersuchen zu können, müssen die Forscher teilweise noch die geeigneten Methoden und Instru­mente entwickeln. „Viele physio­logisch relevante Parameter können wir zwischen den Zellen noch nicht messen“, sagt Neurath. Das gelte nicht nur für physi­kalische Größen wie die Temperatur, Kräfte oder die Beweglich­keit von Zellen, sondern auch für chemische Merkmale wie etwa den pH-Wert, den Salzgehalt und die Konzen­tration freier Radikale zwischen den Zellen. Ebenso schwierig ist die Messung von Sauer­stoff, Amino­säuren und anderer Meta­boliten im Mikromilieu des Gewebes. „Gerade bei der Abwehr von Infektionen und Tumoren spielen diese Parameter eine wichtige Rolle, da sie die schutz­vermittelnde Funktion von Immun­zellen wesent­lich beeinflussen. Für die Entwicklung von Mess­verfahren in den Zell­zwischen­räumen sind wir auf die Zusammen­arbeit mit Physikern angewiesen“, sagt Christian Bogdan, Direktor des Instituts für Kli­nische Mikro­biologie, Immuno­logie und Hygiene am Universitäts­klinikum Erlangen.

Nicht immer müssen die Forscher dabei völlig von vorne anfangen. „Oft gibt es eine Methode, um eine Eigen­schaft zu messen, die ist aber nicht empfindlich genug oder geeignet, damit man sie zwischen den Zellen anwenden kann“, sagt Vahid San­doghdar. „Forscher am ZPM sollten die Fülle der grundlegenden und technischen Kenntnisse der Experimental­physik nutzen, um neuartige Messungen im bio­logischen Gewebe zu ermöglichen. Hier sind optische Verfahren für Sensing und Bildgebung mit sehr hoher Orts- und Zeit­auflösung besonders vielver­sprechend, wie wir kürzlich am MPL in mehreren Beispielen gezeigt haben.“

Die konkreten Schwer­punkte in der Forschung am ZPM werden die Wissen­schaftler bald setzen. In dem Gebäude werden mit den verschiedenen Diszi­plinen auch unter­schiedliche wissen­schaftliche Kulturen und Sprachen zusammen­treffen. „Eigentlich sind Physik und Medizin weit voneinander entfernt“, sagt Schett. Das mache sich auch darin bemerkbar, dass Physiker und Mediziner unter­schiedliche Fach­sprachen benutzen. „In gewisser Weise wirkt das Zentrum wie ein Simultan­übersetzer zwischen den Diszi­plinen“, sagt Schett. Und wenn sich Physiker und Mediziner dort verstehen lernen, ergeben sich neue Möglich­keiten, wie sie Krankheiten besser verstehen und damit die Behandlung von Patienten verbessern können.

MPG / JOL

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