Forschungsprojekte

Projektbeschreibung: Ziel des Projekts ist es, virtuelle und physische Entwicklungstools zu schaffen, welche es ermöglichen, Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zu medizinischen Herzimplantaten an einem realistischen Modell zu testen, bevor sie in Tierversuchen erprobt werden. Somit soll eine Reduktion der Entwicklungszeit sowie der Entwicklungskosten durch eine frühzeitige virtuelle und reale Testung von Konzepten ermöglicht werden. Die virtuellen und physischen Entwicklungsmethoden müssen dabei ineinandergreifen, um eine in der Medizintechnik notwendige Plausibilität und ständige Validierbarkeit zu ermöglichen. Während diese normalerweise durch Tierversuche erreicht wird, sollen die Werkzeuge/Methoden allein durch die Einbindung von tierischen oder humanen Herzen eine Visualisierung und Testung erlauben.

Das Labor für Biofluidmechanik des ICM hat in diesem Projekt seinen Schwerpunkt in der Konzeptentwicklung und dem Aufbau eines multifunktionalen in-vitro Versuchstands zur physiologischen Simulation der Herzbewegung. In diesem Versuchsstand sollen verschiedene Herzen und Herzmodelle eingesetzt werden können, sowie die Option zur Erweiterbarkeit eines Gefäßmodells bestehen. 

Projektbeschreibung: Die Übertragung von SARS-CoV-2 erfolgt größtenteils über virenbelastete Tröpfchen in den Aerosolen, die durch z.B. Husten, Niesen oder Sprechen in die Umgebungsluft abgegeben werden. Die Ausbreitung über die Raum- bzw. Umgebungsluft führt zu großer Verunsicherung der Bevölkerung. Das Aerosol Transmission Measurement System erlaubt es die Aerosolausbreitung unter realen Bedingungen der Räumlichkeiten zu bestimmen und einen Rückschluss auf die übertragenen Aerosolmengen zwischen Dummys an bestimmten, beliebigen Positionen zu ziehen. Es wurde in Zusammenarbeit zwischen dem Hermann-Föttinger-Institut der Technischen Universität Berlin und dem Labor für Biofluidmechanik der Charité - Universitätsmedizin Berlin entwickelt und ist Teil des Projektes Restart 2.0 indem diverse Veranstaltungsstätten untersucht werden sollen. Mittels der gewonnenen Ergebnisse ist geplant, ein Bewertungssystem zu entwickeln, mit dem die Raumlufttechnik von Veranstaltungsstätten effektiv hinsichtlich des Ansteckungsrisikos mit z.B. SARS‐CoV‐2 eingestuft werden kann. Das System wurde bereits unabhängig vom Projekt Restart 2.0 in Einrichtungen wie beispielsweise der Philharmonie Berlin, in diversen Fahrzeugen der Berliner Verkehrsbetriebe und in Konferenzräumen eingesetzt.

Projektbeschreibung: Mit der BMProbe, einem Medizinprodukt der Firma Invicol GmbH, können seltene Zellen minimalinvasiv aus der Blutbahn gesammelt werden. In dem Verbundprojekt proCTC werden unterschiedliche Methoden zur Ablösung dieser Zellen von der Sondenoberfläche untersucht. Anschließend wird die Expansion der abgelösten Zellen erforscht.
Dabei wird das Ziel verfolgt anhand molekularer Analysen zu untersuchen, inwiefern die präklinischen Modelle den Ursprungstumor und/oder die Metastase widerspiegeln. Außerdem wird mittels Medikamententestungen überprüft, ob präklinische Modelle aus CTCs und/oder Patienten-abgeleiteten Organoidmodellen das Therapieansprechen bzw. das Vorhandensein von Resistenzen im Patienten abbilden. Somit wird untersucht ob sie sich für die Anwendung in der Präzisionsmedizin von Krebspatienten eignen.

Mit Blut in Kontakt stehende Implantate bergen stets das Risiko der Thrombenbildung – dementsprechend sind auch Herzunterstützungssysteme davon betroffen. Hierfür wird häufig der Werkstoff Titan eingesetzt. In diesem Projekt wird eine neue Methode, welche vom Projektpartner BC Berlin Catalysts GmbH entwickelt wurde, zur Oberflächenbeschichtung von Titan verwendet, bei der verschiedenste Edelmetallnanopartikel kontrolliert auf der Oberfläche abgeschieden werden können (Immobilisierung). Es wird untersucht, inwieweit die Hämokompatibilität dieser Oberflächen verbessert werden kann.  Dafür werden die Zusammensetzung und Partikelgröße der Edelmetallnanopartikel variiert und Anlagerungsversuche in einer Strömungskammer mittels einer fluoreszenzbasierten Auswertemethode durchgeführt. 

Projektbeschreibung: Für Patienten im Endstadium einer Herzinsuffizienz stellt die Herztransplantation die letztmögliche Therapieform dar. Aufgrund des Spendermangels muss die Wartezeit auf ein Spenderherz mittels mechanischen Herz- und Kreislaufunterstützungssystemen, sogenannte VADs (Ventricular Assist Devices) oder Kunstherzen überbrückt werden. Diese werden auch zunehmend als Langzeit-Alternative eingesetzt. Ziel des Projekts ist die weitere Erforschung des bestehenden Funktionsmusters für die zukünftige Entwicklung eines Herzunterstützungssystems zur chronischen Behandlung terminalen Herzversagens in Zusammenarbeit mit der Berlin Heart GmbH. Mit dem Next Generation Pump (NGP)-System sollen 

1. klinische Ergebnisse der VAD-Therapie hinsichtlich Lebenserwartung, Komplikationsrate, Hämokompatibilität und Lebensqualität verbessert sowie
2. die Therapiekosten als Summe von Systemkosten, Kosten der Implantation und Anschlussheilbehandlung sowie Kosten der Nachsorge reduziert werden.

Projektbeschreibung: Bei Herz-Kreislauferkrankungen werden zur Überbrückung der Wartezeit auf ein Spenderherz oder als Herzersatz mechanische Herz- und Kreislaufunterstützungssysteme, sogenannte VADs (Ventricular Assist Devices) eingesetzt. Eine schwerwiegende Komplikation stellt dabei die Thrombenbildung dar. Lösen sich diese Thromben, können sie im Blutkreislauf zum Verschluss von Blutgefäßen und dadurch zu Herzinfarkten und Schlaganfällen führen. Ziel des Projekts ist die Vermeidung der thrombo-embolischen Komplikationen durch die Entwicklung, Testung und Anwendung einer neuartigen Beschichtung für blutführende Elemente von Herzunterstützungssystemen. Diese beruht auf einer Substanz aus Polyglycerin (entwickelt von der FU Berlin), die mit den Thrombozyten keine Wechselwirkung eingeht. 
 

Projektbeschreibung: Kinder, die aufgrund einer terminalen Herzinsuffizienz auf ein Spenderorgan angewiesen sind, müssen oft sehr lange Wartezeiten in Kauf nehmen, da die Verfügbarkeit von Spenderorganen sehr begrenzt ist. Entsprechend überbrücken mechanische Herz- und Kreislaufunterstützungssysteme, sogenannte VADs (Ventricular Assist Devices) oder Kunstherzen, die Wartezeit. Insbesondere für größere Kinder fehlen geeignete intrakorporale Herzunterstützungssysteme. Ziel des Projekts ist daher innerhalb eines Verbundvorhabens mit der Berlin Heart GmbH die Erforschung eines pädiatrischen VAD-Systems, welches für Patienten im Alter von 3 - 12 Jahren eine verbesserte Therapie ermöglicht. Hierfür werden ausgehend von den klinischen Randbedingungen für Kinder das Lager- und das Pumpendesign, die Validierung des Konzeptes und die Machbarkeitsuntersuchungen für das System durchgeführt. Die Validierung im in vivo Tiermodell stellt den Abschluss der Arbeiten dar.

Projektbeschreibung: Blutpumpen zur mechanischen Herzunterstützung werden in der Klinik bereits erfolgreich zur Therapie von Herzmuskelerkrankungen eingesetzt. Durch die Traumatisierung des Blutes in der Pumpenströmung kommt es jedoch häufig zur Störung des Gerinnungssystems und damit zu Blutungskomplikationen bei den Patienten. Es existiert ein nachweislicher Zusammenhang zwischen der hohen Scherbeanspruchung des Blutes in der Pumpe und der Schädigung eines für den Gerinnungsprozess wichtigen Proteins – des Von-Willebrand-Faktors. Dies wird zum Beispiel bei Stenosen der Aortenklappe beobachtet, wo ein Druckgradient von ca. 30 mmHg bereits zu einer Verminderung der langkettigen Anteile dieses Gerinnungsfaktors führt. Hieraus resultiert das Vorhaben, die Druckerhöhung der Pumpe mit Hilfe neuartiger Ansätze so umzusetzen, dass der Druckgradient unter diesem Schwellenwert bleibt.
Im Projektverlauf wurde zusammen mit Dualis MedTech eine zweistufige halbaxiale Herzunterstützungspumpe (Careflow) entwickelt und gefertigt (siehe Bild).

Projektbeschreibung: Strömt Blut auf ein Implantat, so wird es kurzzeitig durch Scherung belastet und kann dann in einer Strömungsablösung in wiederholten Kontakt mit einem Fremdmaterial kommen. Diese Kombination von hoher und niedriger Scherung begünstigt die Bildung von Thromben, was im Rahmen von diesem Projekt in einem Modell nachgebildet wurde. Ziel ist das nähere Verständnis der Virchow'schen Trias, insbesondere der Thrombenbildung. Hierfür wurde ein spezielles Platte-Platte-Schergerät entwickelt. Der ganze Apparat wird auf einem inversen Mikroskop angebracht, um die Bildung eines Thrombus zu beobachten und aufzunehmen. Die Thrombenbildung konnte schon nach 20 s beobachtet werden.

Projektbeschreibung: Etwa 10-15% der deutschlandweiten Operationen sind Hochrisiko-Eingriffe und etwa 10% aller Patienten entwickeln postoperativ gravierende Komplikationen. Zur Vermeidung von Komplikationen ist eine individualisierte Therapie bereits während der Operation notwendig, wobei sich bisher Maßnahmen wie die Bestimmung von Herzzeitvolumen und Hämodynamikparameter und die damit verbundene optimierte Flüssigkeitsgabe als nützlich erwiesen. Für die hämodynamische Optimierung sind dabei zwei Größen entscheiden: Blutdruck und Blutfluss. Im Rahmen des Projekts wird daher ein neuartiges System (RadialisPeriOP) zur nichtinvasiven Ermittlung des Blutdrucks und weiterer Vitalparameter entwickelt. Grundlage ist dabei die Messung des Blutflusses in der Handgelenksarterie mit der Ultraschalldopplermesstechnik. Aus dem Blutfluss werden einerseits volumetrische hämodynamische Parameter bestimmt und andererseits über einen Regelkreis nichtinvasiv der Blutdruck gemessen.

Projektbeschreibung: Resistenzentwicklung gegen antimikrobielle Wirkstoffe ist eine der großen Herausforderungen in der Bekämpfung von Infektionskrankheiten. GlobalResist erarbeitet einen breit angelegten Ansatz zur Vorhersage von Antibiotikaresistenzen, der unterschiedliche Fachdisziplinen eng verknüpft. Ziel ist es, zukünftig die Abschätzung von Risiken der Resistenzentwicklung vor dem Einsatz zu ermöglichen, um so die Resistenzproblematik idealerweise zu vermeiden und Antibiotika nachhaltiger einzusetzen.

Projektbeschreibung: In dem Projekt „FacialisDruck“ wird an einer neuartigen Methode zur nichtinvasiven Blutdruckmessung an der Arteria Facialis geforscht. Die Messung beruht auf Volumenänderungen in der Arteria Facialis, die photometrisch detektiert werden. Dazu wird eine Spange in den Mund eingeführt, siehe Abbildung. An dem äußeren Schenkel der Spange ist ein Druckkissen mit einer Leuchtdiode angebracht. Mithilfe des Druckkissens wird der Blutfluss in der Arterie unterbunden. Die LED emittiert kontinuierlich Licht durch die Arterie, während eine Fotodiode im gegenüberliegenden Schenkel die Lichtintensität aufzeichnet. Zusammen mit dem Druckverlauf kann anhand des Lichtsignals der arterielle Blutdruck ermittelt werden.

Projektbeschreibung: Für die Behandlung und Vorbeugung von Herz-Kreislauf-Krankheiten ist die Kenntnis des Blutdrucks des Patienten über den Tagesverlauf sehr wichtig. Stand der Technik sind automatische Geräte, mit denen man über 24 Stunden ein Blutdruckprofil aus Einzelmessungen im Abstand von 15 Minuten gewinnt. Diese Messung mittels Armmanschette weist noch einige Nachteile auf (Messung nur in Ruhe möglich, unangenehm) und ist sehr anfällig für Artefakte. Daher wird die die Langzeitblutdruckmessung nicht so häufig eingesetzt wie eigentlich erforderlich. Die neuartige Messung des Blutdrucks dieses Projekts beruht ebenfalls wie die eben beschriebene Methode auf dem Prinzip von Riva-Rocci, es wird aber nicht das ganze Gefäßsystem des Armes oder der Hand okkludiert, sondern nur eine einzelne Arterie: die Arteria radialis oder die Arteria temporalis. Diese wird durch ein kleines Druckkissen auf der Haut so weit okkludiert, bis kein Blut mehr fließt und schließlich wird der Druck im Kissen schrittweise abgelassen. Der aufgeprägte Druck ist dann gleich dem systolischen Blutdruck. Beim weiteren Ablassen des Drucks im Kissen wird die Zeit, in der kein Blutfluss herrscht, immer kürzer. Der diastolische Blutdruck ist erreicht, wenn diese Zeit gegen null geht. 

Projektbeschreibung: Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind weltweit die Hauptursachen für Tod und Invalidität. Das Identifizieren seltener zirkulierenden Endothelzellen (engl. Circulating endothelial cells, kurz: CEC) ist ein neuer, zuverlässiger Biomarker, der mit Endothelschäden assoziiert ist. Aus klinischer Sicht sind diese Endothelzellen wichtige Indikatoren für pathologische Prozesse im Körper und können daher zur Diagnose und Verlaufskontrolle von verschiedenen kardiovaskulären Erkrankungen eingesetzt werden. Ziel des Projektes ist daher die Erforschung einer Sonde, die die Isolierung von CEC in vivo direkt aus dem Blut des Patienten ermöglicht und so die Problematik der Sicherstellung einer ausreichenden Zellausbeute umgeht.

Projektbeschreibung: Weltweit steigt die Zahl der dokumentierten Krebserkrankungen. Um eine Krebserkrankung zu diagnostizieren bzw. auszuschließen wird in der Regel eine Gewebeprobe entnommen (Biopsie) und histologisch untersucht. Doch praktisch alle Tumore geben zirkulierende Tumorzellen (CTC) in den Blutstrom ab und stehen somit immer zur Detektion zur Verfügung. Diese im Blut zirkulierende Tumorzellen sind ein neuer, zuverlässiger, mit Krebserkrankungen assoziierter Biomarker und können daher zur Diagnose und/oder Verlaufskontrolle von verschiedenen Krebsformen eingesetzt werden (Liquid Biopsy). Allerdings treten diese CTC durchweg in sehr geringer Konzentration auf und sind daher schwer zu erkennen. Ziel des Projektes ist daher die Erforschung einer Sonde, die die in vivo Erkennung von CTC direkt in ausreichender Zahl aus dem Blutstrom des Patienten ermöglicht und damit die Problematik mangelnder Sensitivität bestehender Diagnosesysteme adressiert.