Wie Europa diese Lücke schließen kann, zeigen international führende Fachleute in einem Kommentar im Fachmagazin Nature. Auf Einladung von EMBO und der Helmholtz Biomedical Engineering Initiative haben sie konkrete Empfehlungen entwickelt. Ihre zentrale Forderung: eine koordinierte European Biomedical Engineering Agenda, die Europas wissenschaftliche Stärke dauerhaft in Innovationen, Patente und neue Gesundheitsunternehmen übersetzt.

Nach Ansicht der Autor:innen verfügt Europa sowohl über exzellente Forschung als auch über eine starke industrielle Basis. Was fehlt, sind geeignete Strukturen und ausreichend bioingenieurwissenschaftliches Know-how, um diese Stärken zusammenzuführen und Forschung konsequenter in neue Produkte und Unternehmen zu überführen.  

Gerade im Biomedical Engineering entstehen neue Technologien erst durch das Zusammenspiel verschiedener Disziplinen – etwa wenn Erkenntnisse und Anwendungen aus Gesundheits- und Klimaforschung, Material- und Ingenieurwissenschaften oder Luft- und Raumfahrt zusammengeführt werden. Diese Integrationsleistung braucht Fachleute und Institutionen, die unterschiedliche wissenschaftliche Ansätze nicht nur zusammenbringen, sondern von Beginn an auf die Entwicklung anwendbarer Technologien ausrichten.  

Ein zentraler Hebel ist aus Sicht der Autor:innen daher, Biomedical Engineering stärker als eigenständige wissenschaftliche Disziplin zu etablieren. Eigene Fakultäten und Professuren, international konkurrenzfähige Studiengänge und attraktive Karrierewege sollen die dafür notwendige Expertise aufbauen und dauerhaft verankern. Spezifische Förderprogramme und Begutachtungsgremien mit ausgewiesener Bioengineering-Expertise sollen zugleich dafür sorgen, dass interdisziplinäre und anwendungsorientierte Forschung gezielter unterstützt wird. Um wissenschaftliche Erkenntnisse schneller in die Anwendung zu bringen, braucht es darüber hinaus eine frühe Zusammenarbeit mit Kliniken und Industrie, Unterstützung bei Produktentwicklung und Validierung sowie gezielte Förderung von Ausgründungen. Zudem sollte die Vermittlung unternehmerischer Kompetenzen fester Bestandteil der Ausbildung sein. Bioengineering-Hubs sollten dort entstehen, wo bereits führende Universitäten, Krankenhäuser, Unternehmen, Investoren und Gründer konzentriert sind. So lassen sich Europas regionale Stärken in gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Nutzen übersetzen.  

Der Appell der Fachleute ist klar: Europäische Kommission, Europäischer Rat, nationale Regierungen, führende Universitäten, außeruniversitäre Forschungsorganisationen, Forschungsförderer und Industrie müssen gemeinsam handeln – und zwar jetzt. 

„Biomedical Engineering bietet enorme Chancen für Deutschland und Europa: für eine bessere Gesundheitsversorgung ebenso wie für Wachstum und technologische Souveränität“, sagt Helmholtz-Präsident Martin Keller. „Entscheidend ist, dass wir über Fach- und Institutionsgrenzen hinweg arbeiten und wissenschaftliche Erkenntnisse schneller in Innovationen bringen. So kommt Forschung den Menschen zugute und schafft neue Wertschöpfung.“  

„Exzellente Forschung ist das Fundament, auf dem Innovationen entstehen“, sagt EMBO-Direktorin Fiona Watt. „Indem Organisationen wie EMBO herausragende Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler über Disziplinen, Karrierestufen und Ländergrenzen hinweg zusammenbringen, können sie die Voraussetzungen dafür schaffen, dass sich Biomedical Engineering in Europa erfolgreich weiterentwickelt.“  

Über die Biomedical Engineering Initiative der Helmholtz-Gemeinschaft

Die Helmholtz Biomedical Engineering Initiative bringt Forschungseinrichtungen, Universitäten, Kliniken sowie Industrie zusammen und stärkt die Zusammenarbeit über Disziplinen, Institutionen und Sektoren hinweg. Ziel ist es, neue Gesundheitstechnologien schneller von der wissenschaftlichen Erkenntnis in die Anwendung zu überführen.  

Über EMBO  

EMBO fördert mit mehr als 2.200 führenden Forschenden die Exzellenz in den Lebenswissenschaften in Europa und darüber hinaus. Die Organisation unterstützt talentierte Forschende in allen Phasen ihrer Karriere, fördert den wissenschaftlichen Austausch und trägt dazu bei, bestmögliche Bedingungen für exzellente Forschung zu schaffen.

Fortschritte in der biomedizinischen Bildgebung durch Optoakustik 

Mit dem Future Insight Prize werden Wissenschaftler:innen ausgezeichnet, deren Forschung das Potenzial besitzt, wegweisende Innovationen für die Gesellschaft zu ermöglichen. Die diesjährige Auszeichnung würdigt die Pionierarbeit von Vasilis Ntziachristos auf dem Gebiet der optoakustischen Bildgebung – einer Technologie, die Licht und Schall kombiniert, um biologische Prozesse tief im Gewebe sichtbar zu machen. 

Mit seiner Forschung hat Ntziachristos die biomedizinische Bildgebung grundlegend vorangebracht. Sein Einsatz von optoakustischen Technologien, die Licht und Schall kombinieren, um Gewebestrukturen und -funktionen mit beispielloser Auflösung und Tiefenschärfe darzustellen, macht den entscheidenden Unterschied. Im Gegensatz zu herkömmlichen optischen Erfassungsmethoden ermöglichen optoakustische Verfahren eine direkte Messung von biologischen Signalen wie z. B. Mikrozirkulation, Sauerstoffversorgung und Stoffwechselaktivität. Dies ermöglicht die nicht-invasive Überwachung einer Vielzahl von biologischen Prozessen, die über Gesundheit oder Krankheit bestimmen, und soll die grundlegenden Einschränkungen heutiger Methoden beheben. Mit der Anwendung dieser Forschungsfortschritte auf Sensortechnologien zielt das geförderte Forschungsprojekt darauf ab, eine neue Klasse von Systemen für das Gesundheitsmonitoring zu entwickeln, mit denen mehrere Biomarker gleichzeitig und kontinuierlich über einen längeren Zeitraum erfasst werden können. 

„Mein Dank gilt dem Unternehmen für die Unterstützung, die Merck unserer bahnbrechenden Forschung zukommen lässt,“ sagte Vasilis Ntziachristos. „Seit jeher verfolgen wir das Ziel, biologische Prozesse auf bislang nicht realisierbare Weise zu untersuchen. Indem wir die Sensitivität, Qualität und Dimensionalität von nicht-invasiven Messverfahren erweitern, wollen wir eine frühzeitigere Erkennung von Krankheiten sowie wirksamere Therapien und bessere Behandlungsergebnisse für die Patienten möglich machen.“ 

Über den Future Insight Prize 

Der Future Insight Prize wird seit 2018 jährlich von Merck vergeben. Ausgezeichnet werden visionäre wissenschaftliche Leistungen mit dem Potenzial, bahnbrechende Innovationen für die Menschheit zu ermöglichen. Der Preis unterstützt Forschung, die ambitionierte wissenschaftliche Ziele verfolgt und langfristige gesellschaftliche Wirkung entfalten kann. 

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Ali Ertürk, Direktor des Institute for Biological Intelligence (iBIO) bei Helmholtz Munich und Professor an der Ludwig-Maximilians-Universität München, entwickelte nun „MouseMapper“ – eine Sammlung von Deep-Learning-Algorithmen auf Basis sogenannter Foundation Models zur Analyse biologischer Ganzkörperbilddaten. Das Framework segmentiert automatisch 31 Organe und Gewebetypen und kartiert gleichzeitig Nerven- und Immunzellen im gesamten Körper. Dadurch werden umfassende multiorganische Analysen in intakten Mäusen ermöglicht.

„MouseMapper basiert auf einem „Foundation Model“. Das bedeutet, dass das System weit über die Daten hinaus generalisieren kann, mit denen es ursprünglich trainiert wurde“, erklärt Ying Chen, Co-Erstautorin der Studie.

Den transparenten Mäusekörper in seiner Gesamtheit sichtbar machen

Um Ganzkörperkarten zu erstellen, markierten die Forschenden Nerven- und Immunzellen in Mäusen mit fluoreszierenden Markern, die unter dem Mikroskop sichtbar werden. Anschließend machten sie die Tiere mithilfe spezieller Gewebe-Klärungstechniken transparent, wobei die Fluoreszenzsignale erhalten blieben. Dadurch wurden tiefe Einblicke in den intakten Körper möglich.

Mithilfe hochauflösender Lichtblattmikroskopie erfasste das Team detaillierte dreidimensionale Aufnahmen vollständiger Mäusekörper. Dabei entstanden Datensätze mit mehreren zehn Millionen zellulären Strukturen aus unterschiedlichen Organen und Geweben. MouseMapper analysierte diese Daten anschließend automatisiert und identifizierte Nerven, Immunzellcluster sowie anatomische Regionen im gesamten Körper.

Auf diese Weise konnten die Forschenden präzise nachvollziehen, wo Entzündungen und strukturelle Schäden in verschiedenen Geweben auftreten – darunter Fettgewebe, Muskeln, Leber und periphere Nerven –, ohne im Vorfeld bestimmte Untersuchungsregionen festlegen zu müssen.

Neue Einblicke in Adipositas – von der Maus bis zum Menschen

Um zu untersuchen, wie Adipositas den Körper verändert, setzten die Forschenden Mäuse einer fettreichen Diät aus, die eine dem Menschen vergleichbare Form von Adipositas und Stoffwechselstörung auslöste. Mithilfe von „MouseMapper“ konnten sie weitreichende Veränderungen sowohl in der Organisation von Immunzellen als auch in der Nervenarchitektur des gesamten Körpers nachweisen.

Eine der auffälligsten Entdeckungen war die strukturelle Veränderung eines Abschnitts des Trigeminusnervs – eines wichtigen Gesichtsnervs, der für Sinneswahrnehmungen im Gesicht sowie für motorische Funktionen verantwortlich ist. Bei adipösen Mäusen wiesen diese sensorischen Nerven deutlich weniger Endigungen und Verzweigungen auf, was auf einen Verlust normaler Nervenfunktion hindeutet. Verhaltensstudien zeigten zudem, dass die Tiere schwächer auf sensorische Reize reagierten als schlanke Mäuse. Damit ließ sich der strukturelle Schaden direkt mit einer beeinträchtigten Sinnesfunktion verknüpfen.

Anschließend analysierten die Forschenden das Trigeminusganglion – die Struktur, die die Zellkörper der sensorischen Gesichtsnerven enthält. Mithilfe räumlicher Proteomik identifizierten sie molekulare Veränderungen, die mit Nervenumbau und Entzündungsprozessen in Zusammenhang stehen. Bemerkenswerterweise fanden sich viele dieser molekularen Signaturen auch im Trigeminusgewebe von Menschen mit Adipositas. Dies deutet darauf hin, dass die bei Mäusen beobachteten Veränderungen auch beim Menschen auftreten.

„Wir haben bislang unbekannte strukturelle und molekulare Veränderungen im Trigeminusganglion und seinen Gesichtsnervenästen entdeckt – und dieselbe molekulare Signatur auch im menschlichen Gewebe nachgewiesen. Solche Zusammenhänge werden sichtbar, wenn man den Körper als Gesamtsystem untersucht und nicht nur einzelne Organe isoliert betrachtet“, sagt Doris Kaltenecker, Senior Scientist am Institute for Diabetes and Cancer (IDC) bei Helmholtz Munich und Erstautorin der Studie.

Eine Plattform zur Erforschung systemischer Erkrankungen

Über Adipositas hinaus könnte „MouseMapper“ nach Ansicht der Forschenden die Erforschung komplexer Erkrankungen grundlegend verändern, die gleichzeitig mehrere Organsysteme betreffen – darunter Diabetes, Krebs, neurodegenerative Erkrankungen und Autoimmunerkrankungen. Im Gegensatz zu bisherigen Methoden, die sich meist auf einzelne Organe konzentrieren, ermöglicht MouseMapper eine integrierte Ganzkörperanalyse, mit der sich krankheitsbedingte „Hotspots“ im gesamten Organismus identifizieren lassen.

Das Team hat die Ganzkörper-Datensätze öffentlich zugänglich gemacht, sodass Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler weltweit adipositasbedingte Veränderungen über verschiedene Gewebe- und Organsysteme hinweg untersuchen können.

„Unser Ziel ist es, einen umfassenden Rahmen zu schaffen, um zu verstehen, wie Krankheiten den Körper als vernetztes System beeinflussen“, sagt Ali Ertürk. „Unsere langfristige Vision ist die Entwicklung realistischer digitaler Zwillinge von Mäusen – sowohl im gesunden als auch im erkrankten Zustand. Solche zellulären Atlanten könnten rechnergestützt analysiert, gezielt verändert und simuliert werden. Das würde ermöglichen, früheste Krankheitsveränderungen zu identifizieren, präventive Interventionen zu entwickeln und die Entwicklung neuer Therapien zu beschleunigen – bei gleichzeitig reduzierter Zahl physischer Experimente.“

Original-Publikation

Kaltenecker et al., 2026: A deep-learning framework reveals whole-body perturbations at cell level. Nature. DOI: 10.1038/s41586-026-10535-2

Die RNA wird dann außerhalb der Zelle aus den Transportbläschen extrahiert und analysiert. Die Forschenden können so feststellen, welche Gene gerade aktiv sind. Die Ergebnisse der mit dem neuen Prozess gewonnenen Informationen stimmen hervorragend mit Vergleichsmessungen nach der herkömmlichen Standardmethode überein – ohne den gravierenden Nachteil der dauerhaften Zerstörung der untersuchten Zelle.

Die neue Methode erlaubt dadurch Probenahmen über mehrere Tage hinweg, etwa um die Entwicklung von Stammzellen zu Herzmuskelzellen oder Keimblättern engmaschig zu überwachen. Sie funktioniert auch bei Neuronen und Mischungen verschiedener Zelltypen, sodass sich die Kommunikation zwischen den Zellen analysieren lässt.

Hoffnung für bessere Behandlungsmethoden von schweren Krankheiten

„Diese Methode stellt der biomedizinischen Forschung ein mächtiges neues Instrument zur Verfügung. Wir werden tagesgenaue Einblicke in die Reifung und Funktionalität von Stammzellen erhalten. Das könnte zukünftige Zelltherapien zielgenauer und effektiver machen“, sagt Gil Westmeyer.

„Unsere neue Methode ermöglicht es auch, Zellen genetisch auf die Implantation in Gewebe vorzubereiten. Zudem lässt sich NTVE potenziell für die Langzeitanalyse von Organoiden sowie für die weitere Erforschung von Tumoren und ihrer Kommunikation nutzen.“, ergänzen Erstautor Niklas Armbrust und Co-Corresponding-Autor Dr. Jeffery Truong. 

Link zur Original-Pressemitteilung der TUM

Armbrust and Grosshauser et al., 2026: Non-destructive transcriptomics via vesicular export. Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-026-72072-w

Mittelinfrarotes Licht und Ultraschall machen Lipide ohne Marker sichtbar

Ein Team unter der Leitung von Prof. Vasilis Ntziachristos, Leiter des Bioengineering Center und Direktor des Institute of Biological and Medical Imaging (IBMI) bei Helmholtz Munich sowie Professor und Inhaber des Lehrstuhls für Biological Imaging an der Technischen Universität München, entwickelte eine neue Mikroskopiemethode, um diese Herausforderung zu meistern: die hyperspektrale mittel-infrarote optoakustische Mikroskopie (HyFOPM). Mit dieser Technik lassen sich Lipide in lebenden Zellen sichtbar machen – ganz ohne zusätzliche Markierung.

Die Methode beleuchtet die Probe mit gepulstem mittel-infrarotem Licht bei mehreren unterschiedlichen Wellenlängen – eine sogenannte „hyperspektrale“ Beleuchtung. Bestimmte Lipide absorbieren Teile dieses Lichts, wodurch ein kurzer, minimaler Temperaturanstieg entsteht, der Ultraschallwellen erzeugt. Diese Wellen werden von Ultraschallwandlern erfasst und in ein spektrales Bild umgewandelt. Eine computergestützte Analyse dieses Bildes erstellt anschließend Karten, die die Verteilung verschiedener Lipide in der Probe sichtbar machen.

„Das Absorptionsmuster ist charakteristisch für verschiedene Moleküle und funktioniert wie ein einzigartiger molekularer Fingerabdruck“, erklärt Dr. Francesca Gasparin, Wissenschaftlerin am IBMI und an der TUM sowie Erstautorin der Studie. „Dieser mittelinfrarote Fingerabdruck erlaubt es uns, unterschiedliche Lipide zu unterscheiden – ganz ohne externe Marker.“

Entscheidend sind die Wellenlängen

Das Besondere an der Methode sind die gezielt gewählten Wellenlängen. Viele markerfreie Verfahren arbeiten in Spektralbereichen, die auch von zahlreichen anderen Biomolekülen absorbiert werden, wodurch eine klare Unterscheidung erschwert ist.

Das Team konzentriert sich stattdessen auf die sogenannte Fingerprint-Region. In diesem Spektralbereich entstehen Absorptionsmuster hauptsächlich durch Schwingungen, die charakteristisch für die molekulare Struktur eines Lipids sind. Dadurch erkennt die Methode nicht nur die Bausteine eines Moleküls, sondern auch deren räumliche Anordnung. Auf diese Weise lassen sich verschiedene Lipidarten unterscheiden – selbst chemisch sehr ähnliche, wie Glycerophospholipide und Sphingomyelin.

Wenig Stress für die Zellen

Um die Zuverlässigkeit der chemischen Fingerabdrücke zu prüfen, verglich das Team seine Messungen mit der herkömmlichen Infrarotspektroskopie, die als Referenz diente. Diese etablierte Methode liefert zwar präzise Ergebnisse für gelöste Substanzen und Flüssigkeitströpfchen, ist jedoch für lebende Zellen kaum geeignet, da die aufwendige Probenvorbereitung die Zellfunktion beeinträchtigen kann.

Die neue Mikroskopietechnik reproduzierte nicht nur die erwarteten Lipidspektren in Lösungen, sondern ermöglichte erstmals auch Messungen direkt in lebenden Zellen. 

„Ein wesentlicher Vorteil von HyFOPM ist, dass die markierungsfreie Beobachtung von Lipiden die Zellen nur minimal belastet“, erklärt Francesca Gasparin.

Perspektive: Von der Zellkultur zu patientennahen Anwendungen

Langfristig sehen die Forschenden Anwendungsmöglichkeiten in einem breiten Spektrum der Lipidforschung – von der Grundlagenforschung bis hin zu medizinischen Einsatzbereichen, die bisher nur schwer zugänglich waren.

„Die Möglichkeit, Lipidklassen in lebenden Zellen ohne Marker zu verfolgen und zu kartieren, eröffnet neue Wege, Krankheitsprozesse besser zu verstehen und Stoffwechselaktivitäten zu überwachen – nicht nur auf zellulärer Ebene, sondern perspektivisch auch beim Menschen“, sagt Prof. Vasilis Ntziachristos. „Der nächste Schritt besteht darin, die Methode zu beschleunigen und sie systematisch in komplexen zellulären Systemen zu testen, um mehr über die Entstehung von Krankheiten und die Wirkung von Medikamenten zu lernen. Langfristig wollen wir die Technik beim Menschen einsetzen, um Metaboliten kontinuierlich zu überwachen und daraus belastbare Biomarker für eine Vielzahl von Erkrankungen – insbesondere im Bereich des kardiometabolischen Syndroms und darüber hinaus – abzuleiten.“

Über die Forschenden

Prof. Vasilis Ntziachristos ist Leiter des Bioengineering Center und Direktor des Institute of Biological and Medical Imaging bei Helmholtz Munich sowie Professor und Inhaber des Lehrstuhls für Biologische Bildgebung an der Technischen Universität München.

Dr. Francesca Gasparin ist Wissenschaftlerin am Institute of Biological and Medical Imaging bei Helmholtz Munich und an der Technischen Universität München.

Original-Publikation

Gasparin et al., 2026: Differentiation of sphingomyelin and cholesterol by hyperspectral mid-infrared detection of single-bond vibrational modes in the fingerprint region. Nature Methods. DOI: 10.1038/s41592-026-03025-w
 

Prof. Fabian Theis ist ein international anerkannter Wissenschaftler auf dem Gebiet des maschinellen Lernens in der Biomedizin und der computergestützten Gesundheitsforschung. Er leitet das Computational Health Center bei Helmholtz Munich, koordiniert Helmholtz AI und ist Direktor für Biomedical AI am Helmholtz Pioneer Campus. Darüber hinaus hat er den Lehrstuhl für Mathematische Modellierung biologischer Systeme an der Technischen Universität München (TUM) inne und ist mit dem Wellcome Sanger Institute in Großbritannien assoziiert. Theis trägt maßgeblich zum Human Cell Atlas bei, einer internationalen Initiative zur systematischen Kartierung aller menschlichen Zelltypen als Grundlage für verbesserte Diagnose-, Monitoring- und Therapieansätze. Seine Forschung umfasst unter anderem die Risikobewertung bei Typ-1-Diabetes, die Modellierung von Wirkstoffkombinationen sowie die Vorhersage diabetischer Retinopathie. Für seine wissenschaftlichen Leistungen wurde er mehrfach ausgezeichnet, darunter mit dem Leibniz-Preis (2023), einem ERC Advanced Grant (2022), dem Erwin-Schrödinger-Preis (2017) sowie dem Heinz-Maier-Leibnitz-Preis (2006).

Prof. Vasilis Ntziachristos gehört zu den weltweit führenden Experten für Biomedizintechnik und molekulare Bildgebung. Er leitet das Bioengineering Center und das Institut für Biologische und Medizinische Bildgebung bei Helmholtz Munich, ist Direktor für Bioengineering am Helmholtz Pioneer Campus und Professor an der Technischen Universität München (TUM). Nztiachristos hat Pionierarbeit im Bereich der optoakustischen Bildgebung geleistet und diese von der Grundlagenforschung zu einer weltweit angewandten Technologie weiterentwickelt. Die Methode kombiniert Licht und Ultraschall, um Gewebe hochauflösend sichtbar zu machen und dabei die Grenzen traditioneller optischer Bildgebung zu überwinden. Darüber hinaus hat er die Fluoreszenzbildgebung und Standardisierungsmethoden für den präzisen In-vivo-Nachweis molekularer Biomarker entscheidend vorangetrieben. Ziel seiner Forschung ist es, die Früherkennung von Krankheiten zu verbessern, den Krankheitsverlauf zu überwachen und präzise Interventionen in Bereichen wie Krebs, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Diabetes zu ermöglichen. Für seine wissenschatlichen Leistungen wurde er unter anderem mit dem Leibniz-Preis (2012) und dem Karl-Heinz-Beckurts-Preis ausgezeichnet.

Die Aufnahme in die Bayerische Akademie der Wissenschaften ist eine der höchsten wissenschaftlichen Auszeichnungen in Bayern. Als Mitglieder werden nur Forschende aufgenommen, die mit ihrer Arbeit maßgeblich zum Fortschritt ihres Fachs beigetragen haben – sei es durch bahnbrechende Erkenntnisse, innovative Methoden oder prägende Impulse für die Forschung. Über die Zuwahl entscheidet das Plenum der Akademie.

Die Akademie umfasst derzeit 217 ordentliche Mitglieder, 102 korrespondierende Mitglieder, 21 assoziierte Mitglieder und zwei Ehrenmitglieder. 

Der Workshop zeigte, dass erfolgreiche Biomedical Engineering-Ökosysteme folgende Elemente benötigen: 

• Klare Identität und strukturierte Ausbildungswege, um Talente zu entwickeln, 

• Zielgerichtete Förderprogramme, die strategische Initiativen unterstützen, 

• Starke Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft und Industrie, um die Umsetzung zu beschleunigen, und 

• Innovationszentren, die Forschungsergebnisse mit praktischen Anwendungen verbinden. 

Als nationale und internationale Plattform gestaltet die Helmholtz Bioengineering Initiative diese Agenda aktiv mit – sie vernetzt Disziplinen, fördert Translation und fördert unternehmerische Wege, um die Gesundheit der Zukunft in Europa zu gestalten. 

Die detaillierten Ergebnisse und Diskussionen des Workshops werden in einem White Paper veröffentlicht, das Förderinstitutionen, Politik und Wissenschaft als Orientierung dienen soll. 

Zum Original-Beitrag auf der EMBO-Website: Biomedical engineering as a driver for innovation and economic growth – Features – EMBO

Im Jahr 2023 zog allein der chinesische Biotechnologie-Sektor fast doppelt so viel Investitionen an wie die europäischen Vergleichssektoren. Der Abstand zu den USA ist noch deutlich größer: Im Jahr 2023 sammelten 583 US-amerikanische Firmen insgesamt 56,79 Milliarden Dollar an Investitionen ein. Im gleichen Jahr kamen 229 europäische Biotechunternehmen auf 11,46 Milliarden Dollar. Diese Diskrepanz beschränkt sich nicht auf die Finanzierung. 2024 überholte China erstmals die Vereinigten Staaten bei der klinischen Aktivität. Europas globaler Anteil an pharmafinanzierten Studien reduzierte sich dagegen in den vergangenen zehn Jahren um die Hälfte.

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, bedarf es einer grundlegenden Transformation. Sie muss eine systematische Senkung von Kosten und Zeitaufwand sowie eine wirksame Reduzierung von Risiken in der Innovation ermöglichen. Drei Hebel sind entscheidend: Biomedical Engineering, integrierte Biotechnologiezentren sowie gezielte Zuwanderung exzellenter Forschender und Talente.

Biomedical Engineering spielt eine zentrale Rolle. Denn das Fachgebiet an der Schnittstelle von Medizin, Lebenswissenschaften, Ingenieurwesen, Physik und künstlicher Intelligenz ist im weitesten Sinne ausdrücklich auf die Problemlösung in der Medizin ausgerichtet, also auf effiziente Translation. So wird nicht nur Innovation begünstigt, sondern es werden auch viele der Werkzeuge und Methoden entwickelt, welche die dafür notwendigen Prozesse selbst verbessern.

Vorbild Whitaker-Stiftung: In den 1970er-Jahren investierte die Whitaker Foundation rund 700 Millionen Dollar in Biomedical Engineering an über 30 US-Universitäten und etablierte damit ein neues akademisches Feld, das zu einer zentralen Quelle biomedizinischer Innovation und unternehmerischer Aktivität wurde. Deutschland und die meisten europäischen Länder verfügen hingegen bis heute weder über kohärente Strukturen noch über konsistente akademische Profile oder eine entsprechende institutionelle Kultur im Bereich des Biomedical Engineering.

Integrierte Biotechnologiezentren haben transformative Wirkung. So zeigen Innovationstheorie und Managementpraxis, dass integrierte institutionelle Cluster wesentlich häufiger bahnbrechende Fortschritte hervorbringen und diese auch rascher in die Anwendung übertragen. Die räumliche Nähe reduziert Kosten und Risiken durch gemeinsame Expertise, konzentrierte Talentpools, den Zugang zu teurer Infrastruktur sowie kürzere Wege zu Regulierungsbehörden und Investoren. Führende Zentren ziehen zudem internationale Talente und Unternehmer leichter an.

Die meisten europäischen Cluster bleiben heute jedoch hinter globalen Benchmarks zurück, was auf Fragmentierung, historisch gewachsene Konkurrenzstrukturen anstelle von Kooperation sowie eine Zersplitterung von Ressourcen zurückzuführen ist. Um ihr volles Potenzial zu erschließen, bedarf es stärkerer Kooperation über Organisationen und Regionen hinweg.

International mobile Spitzenkräfte haben seit Langem Innovation in Ländern wie den USA vorangetrieben. Dort stellen Einwanderer rund 40 Prozent der Nobelpreisträger und umfassen auch führende Technologiepersönlichkeiten wie Sergey Brin, Andy Grove, Jensen Huang oder Elon Musk. Ihre kulturelle Prägung fördert breitere Perspektiven und anpassungsfähigeres Problemlösen. Forschung zeigt zudem, dass sie deutlich häufiger an patentierten Erfindungen beteiligt sind als im Inland ausgebildete Fachkräfte. Die umfassenden Einschränkungen der Migration und von Visa für hochqualifizierte Arbeitskräfte durch die Trump-Administration eröffnen Deutschland und Europa eine seltene Gelegenheit, genau diese Talente anzuziehen.

Ob Deutschland bei der Technologie für die Medizin von morgen international mithalten kann, entscheidet sich ebenso an kulturellen Fragen wie an Kapital oder Regulierung. Anders als bei den Naturwissenschaften, in denen das Ingenieurwesen treibende Kraft für Innovation und wirtschaftliche Stärke Deutschlands ist, hat sich die Ingenieurkultur im biomedizinischen Bereich bislang nicht institutionell verankert. Dabei ist der Bedarf an systematischer Problemlösung besonders groß, um die erhebliche Lücke zwischen Wissensgenerierung und klinischer Anwendung zu überbrücken. Die bloße Vernetzung von Forschenden und Unternehmern reicht dafür nicht aus.

Darüber hinaus braucht Deutschland eine durchgängige Translationspipeline, getragen von Biomedical Engineering, die wissenschaftliche Entdeckungen konsequent durch Validierung und Regulierung führt. Die Hightech-Agenda bietet eine seltene Chance für einen katalytischen Moment, um Biotechnologie gezielt zu stärken und die Strukturen aufzubauen, die für technologische Souveränität und künftigen medizinischen Fortschritt unerlässlich sind.

Über die Forschenden

Prof. Vasilis Ntziachristos ist Direktor des Instituts für Biologische und Medizinische Bildgebung bei Helmholtz Munich und leitet den Lehrstuhl für Biologische Bildgebung an der Technischen Universität München (TUM).

Prof. Francis de Véricourt ist Professor und Academic Director des Institute for Deep Tech Innovation (DEEP) an der ESMT Berlin.

Die Helmholtz-Gemeinschaft ist in besonderer Weise prädestiniert, Disziplinen wie Lebens-, Ingenieur-, Datenwissenschaften und Medizin miteinander zu verbinden. Aufbauend auf ihren akademischen Partnerschaften und Industriekooperationen konzentriert sich die Helmholtz Biomedical Engineering Initiative darauf, Lücken in den Ausbildungsstrukturen des Biomedical Engineering zu schließen und Forschungsrahmenbedingungen zu gestalten, die wissenschaftsgetriebenes Unternehmertum fördern.

„Biomedical Engineering wird medizinische Herausforderungen lösen sowie wirksame Impulse für die Wirtschaft setzen – und damit die technologische Souveränität Deutschlands stärken. Die Zusammenarbeit unserer Forschungszentren mit universitären und industriellen Partnern wird zu Innovationen führen, die der Gesellschaft zugutekommen. Diese Aktivitäten stehen in engem Einklang mit den Zielen der Hightech Agenda Deutschland sowie mit den europäischen Bestrebungen zur Förderung von Start-ups und Scale-ups“, sagt der Präsident der Helmholtz-Gemeinschaft, Prof. Martin Keller.

Zehn zentrenübergreifende Projekte bilden den Auftakt der Initiative

Zum Start der Initiative wurden zehn zentrenübergreifende Projekte mit Start-up-Potenzial oder bestehenden Industriekooperationen in einem wettbewerblichen Verfahren ausgewählt und werden von der Helmholtz-Gemeinschaft gefördert. Diese Projekte adressieren zentrale Herausforderungen der modernen Medizin – von der frühzeitigen Krankheitsdetektion und personalisierten Diagnostik bis hin zu neuartigen therapeutischen Ansätzen. Fünf der Projekte werden von Helmholtz Munich koordiniert, darunter auch die zentrale Koordinationseinheit, die für die strategische Abstimmung, den Ausbau des Netzwerks sowie die Identifikation zukünftiger Fördermöglichkeiten für alle beteiligten Helmholtz-Zentren verantwortlich ist.

„Helmholtz Munich hat ein starkes und international anerkanntes Profil in Biomedical Engineering aufgebaut. Wir freuen uns sehr, diese Initiative zu koordinieren, führende Labore innerhalb der Helmholtz-Gemeinschaft zusammenzubringen, unsere Expertise einzubringen und die Sichtbarkeit des Forschungsfeldes weiter zu stärken“, erklärt Prof. Martin Hrabě de Angelis, wissenschaftlicher Geschäftsführer und Sprecher der Geschäftsführung (kommissarisch) bei Helmholtz Munich.

Innovationen in Prävention, Diagnostik und Therapie

Die zehn ausgewählten Projekte spiegeln die Breite und das Potenzial des Biomedical Engineering wider. Sie reichen von miniaturisierten, nicht-invasiven Sensortechnologien sowie KI-gestützten Diagnose- und Bildgebungsverfahren über Mikroroboter und verkapselte Transportsysteme für die Wirkstoffabgabe bis hin zu maßgeschneiderten Peptiden für die zielgerichtete Krebstherapie, mikrofluidischen Plattformen zur Überwindung von Multiresistenzen und humanen Organ-on-Chip-Technologien.

„Biomedical Engineering definiert neu, was in der Medizin möglich ist. Durch die Integration fortschrittlicher Sensortechnologien, künstlicher Intelligenz, Bildgebung und neuartiger therapeutischer Ansätze können wir Krankheiten früher erkennen, Behandlungen präziser anpassen und völlig neue Strategien und Versorgungspfade für Patient:innen entwickeln. Die ersten Projekte dieser Initiative geben einen eindrucksvollen Ausblick auf die transformative Kraft und den gesellschaftlichen Nutzen des Biomedical Engineering“, sagt Prof. Vasilis Ntziachristos, Leiter des Bioengineering Centers und Direktor des Instituts für Biologische und Medizinische Bildgebung bei Helmholtz Munich sowie Inhaber des Lehrstuhls für Biologische Bildgebung an der Technischen Universität München.

Aufbau einer nachhaltigen Bioengineering-Community

Über die Forschung hinaus legt die Initiative einen starken Fokus auf Community-Building, Talententwicklung und Wissenstransfer. Sie zielt darauf ab, neue Partner aus der akademischen Landschaft einzubinden, die Beteiligung von Industrie und Start-ups zu fördern und sich an nationalen sowie europäischen politischen Diskussionsprozessen zu beteiligen, um die nachhaltige Verankerung der Ausbildung im Bereich Biomedical Engineering sowie die kontinuierliche Qualifizierung der nächsten Generation von Bioingenieur:innen zu unterstützen.

Teil der Helmholtz-Forschungskampagnen für Zukunftstechnologien

Die Biomedical Engineering Initiative ist Teil eines 36-Millionen-Euro-Pakets für Zukunftstechnologien, das die Helmholtz-Gemeinschaft im Jahr 2026 aufgelegt hat. Über einen Zeitraum von drei Jahren werden drei übergreifende Forschungskampagnen gefördert, die darauf ausgerichtet sind, die Zusammenarbeit über Helmholtz-Forschungsbereiche hinweg sowie mit externen Partnern zu stärken.

An der Helmholtz Biomedical Engineering Initiative sind folgende zehn Helmholtz-Zentren beteiligt:

• Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY)
• Forschungszentrum Jülich
• Deutsche Krebsforschungszentrum (DKFZ)
• Deutsches Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE)
• Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung (HZI)
• Helmholtz Munich
• Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)
• Helmholtz-Zentrum Hereon
• Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
• Max Delbrück Center

Eines der frühesten Warnzeichen für Herz-Kreislauf-Erkrankungen zeigt sich tief in den kleinsten Blutgefäßen: winzige Veränderungen in deren Fähigkeit, sich zu erweitern und zusammenzuziehen, bekannt als mikrovaskuläre Endothel-Funktionseinschränkung (MiVED). Bisher hatten Ärzt:innen keine präzise und nicht-invasive Möglichkeit, diese frühen Veränderungen beim Menschen zu erkennen oder zu messen.

„Mit fast-RSOM ist es uns erstmals gelungen, die Endothelfunktion beim Menschen nicht-invasiv mit Auflösung einzelner Kapillaren und Hautschichten zu erfassen“, sagt Dr. Hailong He, Erstautor der Studie und Forscher am Institut für Biologische und Medizinische Bildgebung bei Helmholtz Munich und der TUM. Dr. Angelos Karlas, Ko-Erstautor, Gefäßchirurg und Senior Wissenschaftler am TUM Klinikum, ergänzt: „Unser neuartiger Ansatz eröffnet einen bislang unerreichten Einblick darin, wie sich Herz-Kreislauf-Erkrankungen auf mikrovas¬kulärer Ebene entwickeln.“

Frühe Veränderungen erkennen, bevor Symptome auftreten

Fast-RSOM liefert hochauflösende, dynamische MiVED-Biomarker, die subtile Beeinträchtigungen der Blutgefäßfunktion beschreiben und in der Regel vor klinischen Symptomen oder messbaren makroskopischen Krankheitsmerkmalen auftreten. Diese frühen Veränderungen stehen häufig im Zusammenhang mit Risikofaktoren wie Rauchen, Bluthochdruck oder Übergewicht. Im Gegensatz zur Risikoberechnung anhand beschreibender Faktoren kann fast-RSOM jedoch quantitativ die tatsächlichen Veränderungen erfassen, die diese Bedingungen am Mikrovaskulärsystem verursachen – lange bevor größere Komplikationen entstehen.  

Durch die Erfassung dieser frühen Warnzeichen eröffnet fast-RSOM neue Möglichkeiten für Früherkennung, Prävention und eine präzisere Überwachung der Herz-Kreislauf-Gesundheit. Die Technologie könnte helfen, Personen mit höherem Risiko für kardiovaskuläre Ereignisse genauer zu identifizieren und die Wirkung von Lebensstil- oder therapeutischen Interventionen zu überwachen.

Von der Forschung in die Klinik

Das Forschungsteam plant nun, fast-RSOM in größeren und vielfältigeren Patientengruppen zu validieren und seine Biomarker in klinische Arbeitsabläufe zu integrieren. Da das Gerät tragbar, schnell und nicht-invasiv ist, könnte es eines Tages in ambulanten Kliniken für routinemäßige kardiovaskuläre Risikoabschätzungen eingesetzt werden.

„Durch frühere Interventionen und eine präzisere Überwachung könnte fast-RSOM die Prävention und Behandlung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen grundlegend verändern – zum unmittelbaren Nutzen für Betroffene und mit langfristigem Potenzial zur Senkung der Gesundheitskosten“, sagt Prof. Vasilis Ntziachristos, Direktor des Bioengineering Center bei Helmholtz Munich und Professor für Biologische Bildgebung an der TUM.

Was ist RSOM?

RSOM (Raster-Scan-Optoakustische Mesoskopie) ist eine nicht-invasive Bildgebungstechnologie, die Lichtimpulse nutzt, um Ultraschallsignale zu erzeugen und hochdetaillierte 3D-Bilder von Strukturen unter der Haut zu erstellen. Sie kann winzige Veränderungen in Blutgefäßen, Sauerstoffgehalt und Gewebezusammensetzung erkennen, die für herkömmliche Bildgebung unsichtbar sind. Durch die Kombination von hohem Kontrast und Eindringtiefe ermöglicht RSOM die Früherkennung von Erkrankungen wie Herz-Kreislauf-Problemen und Diabetes. Das kompakte Design könnte fortschrittliche Diagnostik außerhalb spezialisierter Labore zugänglicher machen. Die Technologie wurde vom Team unter Leitung von Vasilis Ntziachristos entwickelt.

Original-Publikation

He et al., 2025: Single-Capillary Endothelial Dysfunction resolved by Optoacoustic Mesoscopy. Light: Science & Applications. DOI: 10.1038/s41377-025-02103-6

Das Venture Science Doctorate ist ein vollständig finanziertes, dreijähriges PhD-Programm, das den klassischen Forschungsansatz um einen innovativen Schwerpunkt auf Venture-Entwicklung erweitert. Die Teilnehmenden legen ihren eigene Forschungsschwerpunkt fest und entwickeln skalierbare technologische Lösungen für konkrete gesellschaftliche Herausforderungen. 
SPRIND unterstützt die diesjährige Ausweitung des Programms, indem fünf Doktorand:innen gefördert werden, die in den Bereichen Klimaanpassung, nachhaltige Energie, Wassersicherheit, Pandemieprävention und pädiatrische Onkologie forschen. 

Forschung trifft Unternehmertum 

Deep Science Ventures hat bereits zahlreiche wissenschaftsbasierte Start-ups auf den Weg initiiert und arbeitet mit renommierten Investoren wie Bill Gates, Sam Altman und Patrick Collison zusammen. 
Stipendiat:innen des Venture Science Doctorate durchlaufen einen strukturierten Prozess – von der Forschung bis zur Gründung –, und erhalten finanzielle Unterstützung für Lebensunterhalt, Forschungs- und Reisekosten. Sie profitieren von einem globalen Netzwerk mit über 30 akademischen und industriellen Partnern, sowie von einem Venture-Building-Framework und KI-gestützten Tools zur Vermittlung unternehmerischer Kompetenzen und zur Vorbereitung auf Investorengespräche. 

Helmholtz Munichs Beitrag zum Venture Science Doctorate 

Als zentraler Partner bringt Helmholtz Munich fachliche Expertise ein, betreut Promotionsprojekte an seinen Standorten, fördert die interdisziplinäre Zusammenarbeit innerhalb der Helmholtz-Gemeinschaft und unterstützt Prototypenentwicklung sowie Kommerzialisierung mit internationalen Partnern. 
Diese Kooperation ist Teil der neu gestarteten Biomedical Engineering Initiative von Helmholtz Munich, die darauf abzielt, innovative Lösungen und Unternehmensgründungen innerhalb der Helmholtz-Gemeinschaft zu beschleunigen. 

„Wir brauchen Menschen, die es sich zur Aufgabe machen, nicht nur etwas zu entdecken, sondern Lösungen zu finden“, betont Prof. Vasilis Ntziachristos, Direktor des Bioengineering Centers bei Helmholtz Munich. 

Jetzt bewerben 

Der Venture Science Doctorate nimmt Bewerbungen für die Kohorte 2026 entgegen. Gesucht werden Kandidat:innen aus verschiedenen Disziplinen, die wissenschaftsbasierte, skalierbare Unternehmen entwickeln wollen. 

Speiseröhrenkrebs zählt zu den tödlichsten Krebsarten: Wird er erst in einem fortgeschrittenen Stadium erkannt, liegt die Überlebensrate bei nur etwa zehn Prozent. Wird die Erkrankung jedoch frühzeitig diagnostiziert, überleben rund 90 Prozent der Betroffenen. Die neue O2E-Technologie könnte künftig helfen, Gewebeveränderungen sehr viel früher zu erkennen.

O2E kombiniert zwei Verfahren in einer neuartigen Endoskopie-Technologie: Während die optische Kohärenztomographie (OCT) mikroskopische Gewebestrukturen erfasst, macht die optoakustische Bildgebung – bei der Gewebe mit Lichtimpulsen angeregt und entstehende Ultraschallsignale ausgewertet werden – kleinste Blutgefäße auch in tieferen Gewebeschichten sichtbar. Durch die Kombination entstehen hochauflösende 3D-Bilder der Gewebestruktur und -durchblutung. Beide Sensoren sind in einer Endoskopie-Kapsel integriert, die das Gewebe in einem vollständigen 360-Grad-Winkel scannt.

„Unser duales Bildgebungssystem macht kritische Merkmale früher Krebsläsionen sichtbar – darunter mikroskopische Veränderungen unterhalb der Schleimhautoberfläche und feinste mikrovaskuläre Auffälligkeiten, die mit bisherigen Methoden nicht erkannt werden konnten“, sagt Prof. Vasilis Ntziachristos, Direktor des Instituts für Biologische und Medizinische Bildgebung bei Helmholtz Munich und Lehrstuhlinhaber an der TUM.

In ihrer Pilotstudie untersuchten die Forschenden die Speiseröhren von Tieren sowie Gewebeproben von Patient:innen mit Barrett-Ösophagus, einer Vorstufe des Speiseröhrenkrebses. Dabei konnten sie klare Unterschiede zwischen gesundem Gewebe, Gewebe mit Zellveränderungen, Krebsvorstufen und bösartigen Tumoren identifizieren. Eine erste Machbarkeitsstudie wurde an der Lippeninnenseite eines Probanden durchgeführt – einem Gewebe, das ähnliche Eigenschaften wie die Speiseröhre aufweist.

Nächste Schritte: Optimierung für klinische Anwendungen

Aufbauend auf diesen vielversprechenden Ergebnissen wurde 2025 ein neues EIC-Pathfinder-Projekt namens ESOHISTO bewilligt und gestartet. Gefördert von der Europäischen Union unterstützen EIC-(Europäischer Innovationsrat)Pathfinder-Projekte Frühphasenforschung mit hohem Risiko, die das Potenzial hat, bahnbrechende Innovationen voranzutreiben. Die Forschenden arbeiten nun daran, die Kapseltechnologie weiter zu optimieren, um eine hochqualitative Bildgebung für den Einsatz am Menschen sicherzustellen.

„Wir planen außerdem die Integration konfokaler Endo-Mikroskopie – einer Technik, die hochauflösende Echtzeitaufnahmen zellulärer Strukturen ermöglicht – um während der Untersuchung eine detailliertere Analyse zu erlauben“, erklärt Dr. Qian Li, Erstautor der Studie von der Medizinischen Universität Wien. „Das könnte den Weg für eine hochauflösende endoskopische molekulare Bildgebung ebnen, mit der wir gezielt bestimmte molekulare Marker bei Krebs adressieren können.“ Letztlich hoffen die Forschenden, dass ihr Ansatz die Notwendigkeit mehrerer Biopsien verringert und diagnostische Prozesse in Zukunft beschleunigt.

ESOHISTO wird die Technologie weiterentwickeln und validieren, um sie auf eine spätere Markteinführung vorzubereiten. Neben den offensichtlichen Vorteilen für Patient:innen sind die Forschenden überzeugt, dass auch das Gesundheitssystem von dieser Früherkennungstechnologie profitieren würde. Während die Behandlung von fortgeschrittenem Speiseröhrenkrebs typischerweise rund 140.000 Euro pro Patient:in kostet, könnten die Kosten bei frühzeitiger Diagnose auf etwa 10.000 Euro sinken. Früherkennung rettet also nicht nur Leben, sondern führt auch zu erheblichen Einsparungen im Gesundheitswesen.

Original-Publikation

Qian Li et al., 2025: Tethered optoacoustic and optical coherence tomography capsule endoscopy for label-free assessment of Barrett’s esophageal neoplasia. Nature Biomedical Engineering, DOI: 10.1038/s41551-025-01462-0

Weitere Informationen

O2E wurde im Rahmen des EU-Projekts ESOTRAC (GA 732720) entwickelt. Miniaturisierung und Integration histologischer Verfahren erfolgen im Folgeprojekt ESOHISTO (GA 101186952).

FERADICATE: Mit Ferroptose gegen aggressive Krebsarten

Die Forschungsinitiative FERADICATE unter der Leitung von Prof. Marcus Conrad verfolgt einen neuartigen Ansatz zur Behandlung besonders aggressiver und therapieresistenter Krebsarten. Diese Tumoren sind häufig mit einer schlechten Prognose verbunden und neigen selbst nach gezielten Therapien zu Rückfällen. Im Zentrum von FERADICATE steht die Ferroptose – eine eisenabhängige Form des programmierten Zelltods, die Krebszellen normalerweise umgehen. Indem Conrad und sein Team ein Schlüsselprotein namens FSP1 gezielt blockieren, wollen sie Krebszellen in diesen Selbstzerstörungsprozess treiben. Derzeit entwickelt das Team eine neue Klasse von FSP1-Inhibitoren mit dem Ziel, deren Selektivität, Wirksamkeit und Eignung für die orale Anwendung zu optimieren. Das übergeordnete Ziel: Betroffenen neue Hoffnung zu geben, für die bislang kaum wirksame Behandlungsmöglichkeiten existieren. Gelingt dieses Vorhaben, könnte FERADICATE den Weg für klinische Studien und zukünftige Partnerschaften ebnen und so ein vielversprechendes neues Instrument im Kampf gegen einige der herausforderndsten Krebsarten schaffen.

CellCourier: Programmierbare Wirkstoffabgabe

Im Projekt CellCourier kombinieren Prof. Fabian Theis und sein Team Einzelzellgenomik, fortschrittliche Computermodelle und generative KI, um eine der größten Herausforderungen der Medikamententherapie zu lösen: die präzise Zielsteuerung. Ziel ist es, die Wirkstoffabgabe durch kombinatorisches Zell-Targeting und das generative Design maßgeschneiderter Bindungspeptide gezielt zu programmieren. Dabei nutzen die Forschenden Daten aus dem Human Cell Atlas sowie KI-Modelle wie Nicheformer und Prophet, um sogenannte „Surface Codes“ zu erstellen – molekulare Landkarten, die diese Bindungspeptide leiten. In der Anfangsphase konzentriert sich CellCourier auf Lungenerkrankungen wie COPD, Mukoviszidose und Lungenkrebs. Parallel zur technischen Entwicklung arbeitet das Team an Strategien zum Schutz geistigen Eigentums und lotet Wege zur Kommerzialisierung aus. Durch die präzisere Verabreichung von Wirkstoffen könnte CellCourier dazu beitragen, Nebenwirkungen zu verringern und die Sicherheit von mRNA-basierten und anderen Therapien zu verbessern – und so den Weg für eine neue Generation zielgerichteter und wirksamer Behandlungen bereiten.

SAW2See: Einzelzelldiagnostik mit akustischen Wellen auf Chip-Oberflächen

Das Projekt SAW2See unter der Leitung von Prof. André C. Stiel denkt die Einzelzelldiagnostik neu, indem es auf sperrige und kostspielige optische Systeme verzichtet. Stattdessen nutzt SAW2See – in Zusammenarbeit mit dem Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung – punktquellenoptimierte Interdigitaltransducer (IDTs), die direkt in mikrofluidische Chips integriert sind. Diese Transducer erfassen optische Absorptionssignaturen über den photoakustischen Effekt. Solche Absorptionssignaturen können wertvolle Indikatoren für Erkrankungen wie Störungen der roten Blutkörperchen oder Melanome sein (bei sichtbarem Licht) und ermöglichen potenziell auch detaillierte chemische Fingerabdrücke im Infrarotbereich. Durch die Kombination massenfertigbarer Chips mit kompakten Laserdioden will SAW2See eine hochdurchsatzfähige Einzelzellanalyse in einem kostengünstigen und skalierbaren Format ermöglichen. Die nächsten Schritte umfassen die technische Weiterentwicklung, das Benchmarking für diagnostische Anwendungen sowie die Erweiterung in den mittleren Infrarotbereich. Gelingt das Vorhaben, könnte SAW2See die frühe und leicht zugängliche Diagnostik entscheidend voranbringen, insbesondere für Point-of-Care- und dezentralisierte Versorgungssettings.

Mehr über die ERC Proof of Concept Grants erfahren: https://erc.europa.eu/apply-grant/proof-concept

MiROM (kurz für „mittlere Infrarot-Optoakustische Mikroskopie“) identifiziert Proteine, indem es mittlere Infrarotstrahlung nutzt, um molekulare Vibrationen zu detektieren – den natürlichen „Tanz“ der Moleküle innerhalb von Proteinstrukturen. Im Gegensatz zur optischen Spektroskopie, die die Lichtabsorption misst, erfasst die Optoakustik Ultraschallwellen, die entstehen, wenn Proteine Infrarotlicht absorbieren. Diese Absorption führt zu einer minimalen, lokalisierten Temperaturerhöhung, die eine vorübergehende Expansion des umgebenden Mediums und die Emission von Ultraschallwellen zur Folge hat. Durch die Analyse dieser Signale in Echtzeit kann MiROM strukturelle Veränderungen in Proteinen, wie etwa Fehlfaltungen, erkennen, indem es Verschiebungen in ihrem molekularen „Tanz“ identifiziert. Diese Fähigkeit liefert wertvolle Einblicke in die Reaktion von Krebszellen auf Behandlungen.

Überwindung der Grenzen bei der Bewertung der Myelomtherapie

Das multiple Myelom ist eine Blutkrebsart, die die Plasmazellen im Knochenmark befällt und zu abnormer Proteinproduktion, geschwächtem Immunsystem und Organschäden führt. Die traditionellen Methoden zur Bewertung der Myelombehandlung erfordern häufig große Zellproben, aufwendige Vorbereitungen und zeitintensive Messungen, was die rechtzeitige Überwachung der Reaktionen einzelner Patienten erschwert.

MiROM überwindet diese Herausforderungen, indem es Einzelzellen analysiert, nur wenige Proben benötigt und eine schnelle, nahezu sofortige Einschätzung der Behandlungseffektivität liefert.

„MiROM ermöglicht es, einzelne Zellen in Echtzeit zu analysieren, ganz ohne aufwändige Probenvorbereitungen, und liefert so rasche Einblicke, wie Behandlungen die Proteinstrukturen auf zellulärer Ebene beeinflussen“, erklärt Francesca Gasparin, Erstautorin der Studie. „Besonders gut kann MiROM die Bildung intermolekularer Beta-Faltblätter (Strukturen, die mit fehlerhaft gefalteten Proteinen in Verbindung stehen) sowie Apoptose, den programmierten Zelltod, erkennen. Diese Prozesse zeigen, ob Krebsbehandlungen wirksam sind oder ob eine Arzneimittelresistenz entsteht“, fügen Prof. Miguel Pleitez und Prof. Florian Bassermann, leitende Forscher der Studie, hinzu.

Durch die Analyse einzelner Zellen kann MiROM Unterschiede in der Reaktion auf Krebsbehandlungen eines Patienten aufdecken und so den Weg für eine personalisierte Therapie ebnen.

Ein Werkzeug, viele Einsatzmöglichkeiten

„Wir stellen uns den Einsatz von MiROM in der Arzneimittelprüfung, in diagnostischen Tests und bei der Patientenüberwachung zu Hause vor“, sagt Prof. Vasilis Ntziachristos, ebenfalls leitender Forscher der Studie. Der nächste Schritt wird die klinische Validierung in größeren Patientenkohorten sein, um diese Technologie in die tägliche medizinische Praxis zu integrieren.

Biolumineszenz – die durch bestimmte Enzyme in lebenden Zellen erzeugte Lichtemission – ist ein vielseitiges Werkzeug in den Lebenswissenschaften. Im Gegensatz zur Fluoreszenzbildgebung, die auf starke externe Beleuchtung angewiesen ist und dadurch Zellverhalten beeinflussen oder feine Signale überdecken kann, bietet Biolumineszenz eine schonendere Alternative für Langzeitbeobachtungen. Der Hauptnachteil besteht jedoch in der äußerst geringen Lichtintensität, die eine hochauflösende Bildgebung bislang technisch limitiert hat.

Von Teleskopen inspiriertes Design trifft auf empfindlichen Sensor

Um diese Einschränkung zu überwinden, untersuchte das Team um Dr. Jian Cui den Einsatz von Quanten-Bildsensoren (Quanta Image Sensors, QIS) – einer neuen Kameratechnologie, die sich in lichtarmen Bedingungen den bislang gängigen EMCCD-Kameras als vorteilhaft erwies. Um das volle Potenzial dieser Sensoren auszuschöpfen, entwickelten die Forschenden ein maßgeschneidertes optisches System, das sich an der Konstruktion von Teleskopen orientiert – und so entstand das QIScope, ein unkonventionelles optisches System, das Merkmale von Teleskop und Mikroskop vereint. „Um die Fähigkeiten des Sensors voll auszuschöpfen, haben wir uns vom optischen Aufbau von Teleskopen inspirieren lassen“, erklärt Ruyu Ma, Erstautorin der Studie und Doktorandin am Helmholtz Pioneer Campus. „Durch die Kombination dieses Konzepts mit der QIS-Kamera konnten wir ein System entwickeln, das zelluläre Prozesse mit einer Klarheit und Empfindlichkeit sichtbar macht, die mit bisherigen Systemen nicht erreichbar war.“

Feinste Veränderungen in lebenden Zellen sichtbar machen

Das Forschungsteam konnte demonstrieren, dass QIScope feinste Dynamiken in lebenden Zellen über längere Zeiträume hinweg erfassen kann – etwa die Bewegung von Vesikeln oder das Verhalten von Proteinen in sehr geringer Konzentration.

„Unser Mikroskop bietet höhere Empfindlichkeit, verbesserte Auflösung, ein größeres Sichtfeld und einen höheren Dynamikbereich – alles Eigenschaften, die für anspruchsvolle Live-Cell-Imaging-Experimente essenziell sind“, sagt Studienleiter Jian Cui. Darüber hinaus werden auch weitere Bildgebungsverfahren integriert, etwa Epifluoreszenz und prinzipiell auch Phasenkontrast. Damit eröffnen sich neue Möglichkeiten, lebende Systeme mit minimaler Störung zu beobachten – eine Grundvoraussetzung für das Verständnis komplexer biologischer Prozesse.“

Ein neues Werkzeug zur Erforschung des Lebens in Bewegung 

Indem es zentrale Einschränkungen herkömmlicher biolumineszenter Bildgebung überwindet, stellt QIScope der Forschung ein leistungsfähiges neues Instrument zur Verfügung – für die Untersuchung unterschiedlichster biologischer Systeme, von Einzelzellen bis hin zu Organoiden und Gewebemodellen.

Seine Fähigkeit, subtile und langfristige Veränderungen im Zellverhalten sichtbar zu machen, könnte Fortschritte in vielen Forschungsfeldern fördern – darunter Zellbiologie, Krankheitsmodelle und Wirkstoffentwicklung.

Original Publikation

Ma et al.,…, Cui 2025: A Telescopic Microscope Equipped with a Quanta Image Sensor for Live-Cell Bioluminescence Imaging. Nature Methods. https://doi.org/10.1038/s41592-025-02694-3

About the Researchers

Ruya Ma

Ruya Ma ist Wissenschaftlerin am Helmholtz-Pionier-Campus, Helmholtz Munich.

Dr. Jian Cui

ist Principal Investigator am Helmholtz-Pionier-Campus bei Helmholtz Munich und Junior Fellow an der TUM Fakultät für Naturwissenschaften. Mehr über Jian Cui.

Moderne Verfahren zur Genom-Editierung, darunter auch CRISPR-Systeme, gelten als vielversprechende Ansätze zur Behandlung genetischer Erkrankungen. Doch der zuverlässige Transport dieser molekularen Werkzeuge in die Zielzellen bleibt indes eine große Herausforderung. „Bisherige virale und nicht-virale Transportsysteme wie Adeno-assoziierte Viren, Lipid-Nanopartikel oder andere virusähnliche Partikel haben zwar wertvolle Dienste geleistet – stoßen aber an ihre Grenzen“, erläutert Dr. Dong-Jiunn Jeffery Truong, Letztautor der Studie und Gruppenleiter am Institut für Synthetische Biomedizin von Helmholtz Munich: „Probleme sind unter anderem die verlängerte Verweildauer der Gen-Editoren, die Immunreaktionen auslösen kann, oder schlichtweg ihre geringe Effizienz. ENVLPE begegnet diesen Herausforderungen direkt – und bleibt dank seines modularen Designs gleichzeitig kompatibel mit künftigen Entwicklungen in der Genom-Editierung.“

ENVLPE basiert auf modifizierten, nicht-infektiösen Hüllen viralen Ursprungs. Diese dienen als Trägersysteme für molekulare Gen-Editoren wie Basen- oder Prime-Editoren – also spezialisierten CRISPR-Werkzeugen, die einzelne DNA-Basen im Genom chemisch verändern oder gezielt neue Sequenzen einfügen können. ENVLPE überwindet ein zentrales logistisches Problem bisheriger Verfahren: Während der Produktion der Partikel sorgt ein gezielt umgeleiteter zellulärer Transportmechanismus dafür, dass alle benötigten Komponenten zur richtigen Zeit am richtigen Ort zusammenkommen.

Bisherige Systeme enthielten häufig nur teilweise zusammengesetzte, nicht funktionsfähige Gen-Editoren, was deren Wirksamkeit stark einschränkte. „ENVLPE stellt nun nicht nur sicher, dass vollständig zusammengesetzte Editoren verpackt werden“, erläutert Truong, „sondern enthält zusätzlich eine molekulare Schutzkappe, die den empfindlichsten Teil des Editors während des Transports vor dem Abbau schützt. So gelangen die Werkzeuge sicher in die Zielzellen – und können dort die gewünschte DNA-Korrektur vornehmen.“

Sehvermögen zurückgewonnen: Gen-Editierung in Aktion

In enger Zusammenarbeit mit einem Team unter der Leitung von Prof. Krzysztof Palczewski, Professor für Augenheilkunde an der der University of California in Irvine (UC Irvine, USA), testeten die Forschenden das ENVLPE-System in einem Mausmodell für angeborene Blindheit. „Die Mäuse tragen eine schwerwiegende Mutation im Rpe65-Gen, das für die Produktion lichtsensitiver Moleküle in der Netzhaut unerlässlich ist“, sagt Samuel W. Du, Co-Autor der Studie und Doktorand an der UC Irvine: „Sie sind dadurch vollständig blind und reagieren nicht auf Lichtreize.“ Nach der Injektion von ENVLPE in den subretinalen Raum – den Bereich zwischen dem retinalen Pigmentepithel und den Photorezeptoren – zur Korrektur der Mutation begannen die Tiere auf Lichtreize zu reagieren. „Das Ausmaß, in dem die Sehfähigkeit sich wieder einstellte, war verblüffend“, ergänzt Julian Geilenkeuser, Co-Erstautor und Doktorand am Institut für Synthetische Biomedizin bei Helmholtz Munich: „Das hat uns gezeigt, dass unsere Partikel tatsächlich therapeutisches Potenzial im lebenden Organismus haben.“

Im Vergleich zu etablierten Systemen erzielte ENVLPE deutlich bessere Ergebnisse: Ein konkurrierendes Verfahren benötigte mehr als die zehnfache Dosis, um vergleichbare Effekte zu erzielen.
„Unser Ziel war es, ein Werkzeug zu entwickeln, das sowohl für die Forschung als auch für den praktischen Einsatz geeignet ist“, sagt Niklas Armbrust, ebenfalls Co-Erstautor der Studie und Doktorand am Institut für Synthetische Biomedizin. „Wir haben zentrale Engpässe gelöst und eine deutlich effizientere Verpackung durch die Transportvehikel erreicht.“

Krebstherapie voranbringen – mit universellen T-Zellen

ENVLPE eröffnet zudem neue Möglichkeiten für sogenannte adoptive T-Zell-Therapien. Dabei werden Immunzellen aus dem Blut von Patient:innen im Labor genetisch so verändert, dass sie Tumorzellen gezielt erkennen und angreifen können. In Zusammenarbeit mit dem Labor von Dr. Andrea Schmidts am TUM Klinikum konnte ENVLPE genutzt werden, um gezielt bestimmte Oberflächenmoleküle von T-Zellen zu entfernen – darunter solche, die beim Empfänger eine Immunreaktion auslösen könnten. Mit ENVLPE könnten künftig sogenannte universelle T-Zellen entstehen, die nicht mehr individuell auf einzelne Patient:innen zugeschnitten werden müssen. Das würde Immuntherapien breiter verfügbar und kostengünstiger machen.

Diese Entwicklungen adressieren zentrale Herausforderungen sowohl bei in vivo-Gentherapien für genetisch bedingte Erkrankungen als auch bei ex vivo-Zelltherapien gegen Krebs – und ebnen den Weg für wichtige translationale Fortschritte. „Das hochmodulare ENVLPE-System bringt uns der präzisen, maßgeschneiderten genetischen Veränderung komplexer Zellmodelle einen großen Schritt näher“, sagt Prof. Gil Westmeyer, Direktor des Instituts für Synthetische Biomedizin, Professor für Neurobiologisches Engineering an der TUM und Co-Seniorautor der Studie. „Sie zeigt, wie die Synthetische Biologie den Weg für medizinische Innovationen bereiten kann.“

Auf dem Weg zur klinischen Anwendung

Nachdem die effiziente Einschleusung der gängigsten Gen-Editierungswerkzeuge gelungen ist, arbeitet das Team daran, die Zielgenauigkeit weiter zu steigern – unter anderem durch KI-gestütztes Protein-Design und die Nutzung biologischer Diversität. Ziel ist es, die Werkzeuge künftig gezielt nur in bestimmte Zell- oder Gewebetypen einzubringen. Für den nächsten Schritt in Richtung klinische Anwendung strebt das Forschungsteam derzeit Fördermittel aus translationalen Programmen sowie Partnerschaften mit der pharmazeutischen Industrie an. Langfristig soll die Technologie für verschiedene Therapieansätze weiterentwickelt und Patient:innen zugänglich gemacht werden.

Vasilis Ntziachristos ist Direktor des Instituts für Biologische und Medizinische Bildgebung und Leiter des Bioengineering Center bei Helmholtz Munich. Er ist außerdem Professor und Leiter des Lehrstuhls für Biologische Bildgebung an der Technischen Universität München (TUM). Im Laufe seiner Karriere wurde Ntziachristos mit zahlreichen Auszeichnungen geehrt, darunter der Karl Heinz Beckurts-Preis und der renommierte Gottfried Wilhelm Leibniz-Preis. Er gilt als eine der führenden Persönlichkeiten auf dem Gebiet der biomedizinischen Bildgebung und leistet bedeutende Beiträge zur Entwicklung neuer Bildgebungstechnologien, die sowohl der biomedizinischen Forschung als auch der klinischen Praxis zugutekommen.

Wissenschaftler und Entrepreneur

Darüber hinaus war Ntziachristos maßgeblich an der Gründung mehrerer Unternehmen beteiligt, darunter SurgVision BV, das sich auf Fluoreszenz-Bildgebungslösungen für chirurgische Anwendungen spezialisiert hat, iThera Medical GmbH, das sich auf die Vermarktung optoakustischer Technologien konzentriert, sowie sThesis GmbH, welche biomedizinische Sensorik weiterentwickelt. Mit seinen unternehmerischen Bemühungen treibt er die klinische Umsetzung innovativer photonischer Methoden in greifbare Vorteile für die Gesellschaft voran.

Über die Leopoldina

Die Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina wurde 1652 gegründet. Sie dient als unabhängige, interdisziplinäre Organisation der Förderung des wissenschaftlichen Austauschs und der evidenzbasierten Beratung von Politik und Gesellschaft. Die Mitgliedschaft in der Leopoldina gilt als eine der höchsten Ehrungen für Wissenschaftler:innen in Deutschland und darüber hinaus. Zu ihren Mitgliedern, den „Leopoldina-Fellows“, gehören führende Forschende aus verschiedenen Wissenschaftsbereichen – von Naturwissenschaften über Medizin bis zu Ingenieur- und Geisteswissenschaften. Die Leopoldina veröffentlicht wissenschaftliche Berichte, Stellungnahmen und Empfehlungen zu einem breiten Spektrum von Themen und trägt damit zu einer fundierten Entscheidungsfindung in Bereichen wie Gesundheit, Umwelt und Technologie bei.

Nanocarrier werden eine zentrale Rolle in der nächsten Generation lebensrettender Medikamente spielen. Sie ermöglichen die gezielte Verabreichung von Wirkstoffen, Genen oder Proteinen an Zellen im Körper der Patient:innen. Mit SCP-Nano können Forschende die Verteilung selbst kleinster Mengen von Nanocarriern im gesamten Körper einer Maus analysieren und jede einzelne Zelle sichtbar machen, die diese aufgenommen hat. SCP-Nano kombiniert optisches Gewebeclearing, Lichtblattmikroskopie und Deep-Learning-Algorithmen. Zunächst werden die Maus-Körper vollständig transparent gemacht. Nach der dreidimensionalen Bildgebung können die Nanocarrier im durchsichtigen Gewebe bis auf Einzelzellebene identifiziert werden. Durch die Einbindung von KI-gestützter Analyse können Forschende präzise bestimmen, welche Zellen und Gewebe mit den Nanocarriern interagieren – und an welchen Stellen dies genau geschieht.

Praktische Anwendungen von SCP-Nano

Beispiele für Nanocarrier, die Ali Ertürk, Direktor des Instituts für Intelligente Biotechnologien (iBIO) bei Helmholtz Munich, und sein Team mithilfe von SCP-Nano analysiert haben, umfassen Lipid-Nanopartikel (LNPs), DNA-Origami-Strukturen und Adeno-assoziierte Viren (AAVs). Diese Nanocarrier sind unverzichtbar für moderne Therapeutika, die Krankheiten an ihren zellulären Ursprüngen bekämpfen. Sie besitzen jeweils einzigartige Eigenschaften, die sie für verschiedene Anwendungen prädestinieren: DNA-Origami-Strukturen sind einfach programmierbar, AAVs sind äußerst effiziente Träger für die Gentherapie, und LNPs ermöglichen die gezielte RNA-Abgabe – die Grundlage moderner mRNA-Impfstoffe und vieler anderer RNA-Therapien.

Mit SCP-Nano konnten die Forschenden zeigen, dass DNA-Origami-Strukturen bevorzugt Immunzellen erreichen, während AAV-Varianten gezielt bestimmte Hirnregionen und Fettgewebe ansteuern. Besonders bemerkenswert ist, dass die Plattform aufdeckte, dass sich Lipid-Nanopartikel mit mRNA-Therapeutika im Herzgewebe anreichern können. Mit Hilfe von SCP-Nano können Forschende daher potenziell problematische Off-Target-Gewebe und damit verbundene Toxizitäten bereits vor dem Beginn klinischer Studien identifizieren. Dies ebnet den Weg für die Entwicklung sichererer und wirksamerer mRNA-Therapeutika.

Nanocarrier mit bisher unerreichter Präzision sichtbar machen

„Mit SCP-Nano können wir Nanocarrier im gesamten Körper in extrem niedrigen Dosen bis zu 0,0005 mg/kg nachweisen“, sagt Dr. Jie Luo, Erstautor der Studie. „Das gibt uns eine völlig neue Perspektive darauf, wie diese kleinen Transportvehikel mit Organen und Zellen interagieren.“ Luo betont, dass es besonders wichtig sei, dass SCP-Nano unerwünschte Akkumulationen im Herz oder in der Leber erkennen kann.

Der Mechanismus von Nanocarriern lässt sich mit einem Paketzustelldienst vergleichen, erklärt Ertürk: „Jeder Nanocarrier ist wie ein Paket, das eine wichtige Fracht transportiert und genau an die richtige Wohnung geliefert werden muss – nicht an die nebenan. Mit SCP-Nano können wir genau verfolgen, wohin diese Pakete gelangen, ob sie ihr genau vorgesehenes Ziel erreichen oder versehentlich an unerwünschte Orte geliefert werden.“

Innovation für die personalisierte Medizin vorantreiben

SCP-Nano ermöglicht es Forschenden, präzise zu bestimmen, wo sich Nanocarrier anreichern, und ihre Interaktionen mit Zielzellen sichtbar zu machen – eine Schlüsselvoraussetzung für sichere und effektive Anwendungen von Nanocarriern. „SCP-Nano wird nicht nur dabei helfen, die Sicherheit bestehender Nanocarrier zu bewerten, sondern auch die Entwicklung neuer, hochpräziser Anwendungen voranzutreiben“, sagt Luo. „Die Plattform kann zudem helfen, den Erfolg von mRNA-Therapien zu überwachen und potenzielle Nebenwirkungen frühzeitig zu erkennen.“

Eine neue Ära für die Arzneimittelentwicklung und personalisierte Therapien

Durch die Kombination modernster Bildgebungs- und KI-Technologien bietet SCP-Nano Forschenden und Kliniken ein neues Verständnis darüber, wie Therapien mit dem Körper interagieren, und lässt sich problemlos auf menschliche Gewebe und Organe übertragen. „Präzisionsmedizin und die gezielte Abgabe von Wirkstoffen werden häufig diskutiert, aber es gab bisher nur in begrenztem Umfang skalierbare und effektive Werkzeuge dafür. Unser neuer Ansatz bietet eine Lösung für eine zentrale Herausforderung in der Arzneimittelentwicklung“, schließt Prof. Ertürk.

Mit seinem Potenzial, Nebenwirkungen zu minimieren und die Präzision von Behandlungen zu erhöhen, stellt SCP-Nano einen wichtigen Schritt in Richtung sicherer und effektiver Therapien in Bereichen wie der Krebsbehandlung, Gentherapie und Impfstoffentwicklung dar. Diese Innovation löst nicht nur bedeutende Herausforderungen bei der Entwicklung nanocarrier-basierter Technologien, sondern fördert auch die Zukunft der Präzisionsmedizin.

Eine neuartige KI-gestützte Bildgebungstechnik, entwickelt von Prof. Ali Ertürks Team, liefert neue Einblicke, wie das SARS-CoV-2-Spike-Protein das Gehirn beeinflusst. Die Methode macht Organe und Gewebeproben transparent, wodurch die dreidimensionale Visualisierung von Zellstrukturen, Stoffwechselprodukten und in diesem Fall viralen Proteinen möglich wird. Durch diese Technologie konnten die Forschenden eine bisher nicht feststellbare Ablagerung des Spike-Proteins in Gewebeproben von Menschen mit COVID-19 und Mäusen aufdecken.

Die im Fachjournal Cell Host & Microbe erschienene Studie zeigte signifikant erhöhte Konzentrationen des Spike-Proteins im Knochenmark des Schädels und in den Hirnhäuten, selbst Jahre nach der Infektion. Das Spike-Protein bindet an sogenannte ACE2-Rezeptoren, die in diesen Regionen besonders häufig vorkommen. „Das könnte diese Gewebe besonders anfällig für die langfristige Ansammlung des Spike-Proteins machen“, erklärt Dr. Zhouyi Rong, Erstautor der Publikation. Ertürk ergänzt: „Unsere Daten deuten auch darauf hin, dass das persistierende Spike-Protein an den Grenzen des Gehirns zu den langfristigen neurologischen Effekten von COVID-19 und Long COVID beitragen könnte. Dazu gehört auch eine beschleunigten Gehirnalterung, die für Betroffene den Verlust von fünf bis zehn Jahren gesunder Gehirnfunktion bedeuten könnte.“

Impfungen reduzieren Spike-Protein-Anreicherung und Entzündungen im Gehirn

Das Team um Ertürk entdeckte, dass der mRNA-COVID-19-Impfstoff von BioNTech/Pfizer die Anreicherung des Spike-Proteins im Gehirn signifikant reduzieren. Andere mRNA-Impfstoffe oder Impfstofftypen wie Vektor- oder proteinbasierte Impfstoffe wurden nicht untersucht. Mit dem mRNA-Impfstoff geimpfte Mäuse zeigten niedrigere Spike-Protein-Werte sowohl im Gehirngewebe als auch im Knochenmark des Schädels im Vergleich zu ungeimpften Mäusen. Die Reduktion betrug jedoch nur etwa 50 %, sodass ein Rest des Spike-Proteins weiterhin ein toxisches Risiko für das Gehirn darstellt. „Diese Reduktion ist ein wichtiger Schritt“, sagt Prof. Ertürk: „Unsere Ergebnisse sind zwar aus Mausmodellen abgeleitet und können nur eingeschränkt auf den Menschen übertragen werden, aber sie weisen auf die Notwendigkeit zusätzlicher Therapien und Interventionen hin, um langfristige Belastungen durch SARS-CoV-2-Infektionen vollständig zu bewältigen.“ Zudem seien weitere Studien notwendig, um die Relevanz der Ergebnisse für Patient:innen mit Long-COVID zu untersuchen.

Long COVID: Eine gesellschaftliche und medizinische Herausforderung

Weltweit haben sich 50 bis 60 Prozent der Bevölkerung mit COVID-19 infiziert. Davon leiden fünf bis zehn Prozent unter Long COVID. Das entspricht etwa 400 Millionen Menschen, die möglicherweise signifikante Mengen an Spike-Proteinen in sich tragen. „Das ist nicht nur ein individuelles Gesundheitsproblem – es ist eine gesellschaftliche Herausforderung“, sagt Prof. Ertürk: „Unsere Studie zeigt, dass mRNA-Impfstoffe das Risiko langfristiger neurologischer Folgen erheblich senken können und somit einen entscheidenden Schutz bieten. Aber auch nach Impfungen kommt es zu Infektionen, die zu persistierenden Spike-Proteinen im Körper führen können. Die Folge können chronische Gehirnentzündungen und ein erhöhtes Risiko für Schlaganfälle und andere Hirnschäden sein – die dann erhebliche Auswirkungen auf die öffentliche Gesundheit und die Gesundheitssysteme weltweit haben.“

Fortschritte in Diagnostik und Therapie

„Unsere Ergebnisse eröffnen neue Möglichkeiten zur Diagnose und Behandlung der langfristigen neurologischen Effekte von COVID-19“, sagt Ertürk. Im Gegensatz zu Gehirngewebe sind das Knochenmark des Schädels und die Hirnhäute für medizinische Untersuchungen leichter zugänglich. Kombiniert mit Protein-Panels – Tests zum Nachweis spezifischer Proteine in Gewebeproben – könnte dies ermöglichen, Spike-Proteine oder Entzündungsmarker im Blut oder der Gehirnflüssigkeit zu identifizieren. „Solche Marker sind für eine frühzeitige Diagnose von COVID-19-bedingten neurologischen Komplikationen wichtig", so Ertürk: „Darüber hinaus könnte die Charakterisierung dieser Proteine die Entwicklung gezielter Therapien und Biomarker unterstützen, um neurologische Beeinträchtigungen durch COVID-19 besser zu behandeln oder sogar zu verhindern.“

Prof. Ulrike Protzer, leitende Virologin bei Helmholtz Munich und an der Technischen Universität München, betont die weitreichende Bedeutung der Studie: „Angesichts der anhaltenden globalen Auswirkungen von COVID-19 und des zunehmenden Interesses an Langzeitfolgen ist diese Studie, die neue Erkenntnisse über Invasionswege ins Gehirn und unerwartete langfristige Wechselwirkungen mit dem Wirt liefert, besonders relevant. Diese Ergebnisse sind nicht nur wissenschaftlich wegweisend, sondern auch von großer gesellschaftlicher Bedeutung.“

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Viele Krankheiten sind mit Veränderungen in der Expression bestimmter Proteine im Gehirn verbunden. Um diese Veränderungen zu erforschen, untersuchen Wissenschaftler:innen, wie sie sich während des Krankheitsverlaufs in Modellorganismen entwickeln. Um das ganze Gehirn, beispielsweise einer Maus, zu erfassen, erzeugen sie große Datensätze. Für deren sinnvolle Interpretation sind präzise Quantifizierungsmethoden erforderlich. Die Identifizierung markierter Zellen in großen 3D-Bilddaten ist jedoch eine Herausforderung. Denn obwohl künstliche Intelligenz (KI) die Datenanalyse erleichtert, erfordert sie meist umfangreiche Datenannotationen und fortgeschrittene Programmierkenntnisse. Dies führt dazu, dass nur spezialisierte Labore die Vorteile von KI nutzen können. Das Forschungsteam aus München hatte daher das Ziel, diese Barriere zu überwinden und die Analyse von 3D-Bilddaten einer breiteren Wissenschaftscommunity zugänglich zu machen.

Gehirnzellen in Virtual Reality

Um spezifische Zellen in Gehirnscans genau zu quantifizieren, hat das Forschungsteam zunächst einen KI-Algorithmus darauf trainiert, diese Zellen in mikroskopischen 3D-Bildern zu erkennen. Mithilfe von Virtual Reality (VR) tauchten die Forschenden dann direkt in die Bilder ein und markierten die Zellen in 3D mit Labels – eine weitaus schnellere und präzisere Methode im Vergleich zu herkömmlichen Ansätzen in 2D, für die Zellproben auf feinen Scheiben genutzt werden. Mithilfe dieser im virtuellen Raum generierten Labels trainierte das Forschungsteam einen KI-Algorithmus zur automatischen Erkennung aktiver Neuronen.

Letztendlich kombiniert DELiVR (kurz für „Deep Learning and Virtual Reality mesoscale annotation“) die Prozesse der Zellenerkennung, des Abgleichs mit einem Gehirnatlas und der Visualisierung der Ergebnisse in einer Pipeline. Das Tool arbeitet nahtlos mit Fiji, einer Open-Source-Software für die Bildanalyse. Zudem können User anpassbare Funktionen nutzen, um die Lösung auf bestimmte Zelltypen wie Mikroglia, eine wichtige Immunzelle im Gehirn, zu trainieren. DELiVR kann somit für vielfältige Forschungsprojekte zum Einsatz kommen. 

"DELiVR bietet eine nahtlose Lösung zur Identifizierung und Analyse von Zellen im gesamten Gehirn. Dadurch erhalten wir unschätzbare Einblicke in ihre Rollen und Verhaltensweisen – sowohl im gesunden als auch im kranken Zustand. Das Besondere dabei ist, dass man dafür kein Experte im Progammieren sein muss. DELiVR vereinfacht die Entwicklung neuer therapeutischer Maßnahmen, die letztendlich die Lebensqualität von kranken Personen verbessern könnten."

Prof. Ali Ertürk, der die Entwicklung des Tools bei Helmholtz Munich leitete

Anwendungsfall: Gewichtsabnahme durch Krebs

Am Beispiel krebsbedingter Hirnaktivitäten verdeutlicht das Forschungsteam die Leistungsfähigkeit von DELiVR. Dafür fokusierten sich die Wissenschaftler:innen auf die tumorbedingte Gewichtsabnahme, die für Betroffene eine große Belastung darstellt. In Mäusen beobachteten sie bestimmte Gehirnaktivitätsmuster, die sie mit einem Gewichtsverlust in Verbindung bringen konnten. Außerdem konnten sie diese deutlich von Hirnaktivitätsmustern unterscheiden, die keine Gewichtsveränderung zur Folge hatten. Das kommentiert Dr. Doris Kaltenecker, eine der Erstautorinnen der DELiVR-Studie so: „Unsere Forschungsergebnisse mit DELiVR zeigen neue potenziell therapeutische Ziele in bestimmten Gehirnregionen. Diese Entdeckung könnte künftig den Weg für neue Strategien zur Bekämpfung des Gewichtsverlusts bei Menschen mit Krebs ebnen.“

Über die Wissenschaftler:innen

Prof. Ali Ertürk, Direktor am Institut for Tissue Engineering and Regenerative Medicine bei Helmholtz Munich, Professor am Institut für Schlaganfall- und Demenzforschung des Klinikums der Ludwig-Maximilians-Universität München
Dr. Doris Kaltenecker, Postdoktorandin am Institut für Diabetes und Krebs bei Helmholtz Munich, beim Translationalen Diabetesprogramm des Universitätsklinikums Heidelberg, am Deutschen Zentrum für Diabetesforschung (DZD) und am Institut für Schlaganfall- und Demenzforschung des Klinikums der Ludwig-Maximilians-Universität München

Die Grundprinzipien der Optoakustik, auch als Photoakustik bezeichnet, sind seit mehr als hundert Jahren bekannt. Praktische Anwendungen in der Medizin sind aber relativ neu. Vasilis Ntziachristos ist Direktor des Instituts für Biologische und Medizinische Bildgebung sowie des Bioengineering Centers bei Helmholtz Munich und Professor für Biologische Bildgebung an der TUM. Zusammen mit seinem Team hat er eine Reihe von optoakustischen Bildgebungsmethoden entwickelt, darunter RSOM, kurz für "Raster-Scan Optoakustische Mesoskopie".

32 besonders aussagekräftige Veränderungen

Jetzt hat das Team RSOM für die Untersuchung der Auswirkungen von Diabetes auf die menschliche Haut weiterentwickelt. Aus RSOM-Aufnahmen der Blutgefäße im Bein von 75 Diabetiker:innen und einer Kontrollgruppe identifizierten die Forschenden mit einem KI-Algorithmus Merkmale einer Diabetes-Erkrankung. Dabei erstellten sie eine Liste von 32 besonders aussagekräftigen Veränderungen im Erscheinungsbild der Äderchen der Haut. Dazu zählten Merkmale wie die Zahl der Verästelungen der Gefäße oder ihr Durchmesser.

RSOM erlaubt schnelle Untersuchung von Gefäßveränderungen

Dass kleine Blutgefäße in der Haut von Diabetiker:innen verändert sind, ist schon länger bekannt. Die Veränderungen sind beispielsweise in Biopsien zu erkennen, also in kleinen Hautpartien, die herausgeschnitten werden. Was tatsächlich im Körper geschieht, lässt sich durch Biopsien aber nicht zuverlässig zeigen, da durch die Einschnitte die Gefäße verformt werden können. Sie bedeuten zudem immer einen Eingriff in den Körper und sind nicht für wiederholte Untersuchungen über einen längeren Zeitraum geeignet. RSOM-Messungen sind dagegen nicht invasiv, dauern weniger als eine Minute und sind nicht auf Strahlung oder Kontrastmittel angewiesen. „Andere optische Bildgebungsverfahren liefern nicht die Tiefe oder das Detail, den RSOM ermöglicht“, sagt Angelos Karlas, leitender Arzt der Studie.

Bei einer einzelnen RSOM-Messung können gleichzeitig Daten zu verschiedenen Tiefen der Haut gewonnen werden. Dadurch konnten die Forschenden erstmals feststellen, dass sich Diabetes unterschiedlich auf Gefäße in verschiedenen Hautschichten auswirkt: Während beispielsweise die Zahl der Gefäße und Verästelungen in der sogenannten dermalen Ebene bei Diabetiker:innen verringert waren, waren sie dichter unter der Hautoberfläche, in der sogenannten epidermalen Ebene, erhöht.

Kombination von Merkmalen aussagekräftig

Jedes der 32 oben erwähnten Merkmale wird vom Fortschreiten und der Schwere der Krankheit beeinflusst. Erst wenn man sie kombiniert und einen sogenannten Score ermittelt, lässt sich aber eine Verbindung zwischen dem Zustand der kleinen Blutgefäße in der Haut und dem Schweregrad von Diabetes ziehen. Dieser konnte in dieser Studie erstmals gezeigt werden.

„Mit RSOM können wir die Auswirkungen von Diabetes jetzt quantitativ beschreiben“, sagt Vasilis Ntziachristos. „Da wir RSOM immer mobiler und kostengünstiger machen konnten, eröffnen diese Erkenntnisse völlig neue Möglichkeiten für die kontinuierliche Überwachung des Zustands der Betroffenen - immerhin mehr als 400 Millionen Menschen weltweit. Mit kurzen und schmerzfreien Untersuchungen ließe sich so in wenigen Minuten feststellen, ob Therapien Wirkung zeigen, sogar in häuslicher Umgebung.“

Von Prof. Vasilis Ntziachristos und seinem Forscherteam wurde die multispektrale optoakustische Tomographie (MSOT) am Helmholtz Munich und der Technischen Universität München entwickelt und wird von seinem Spin-off-Unternehmen iThera Medical GmbH vertrieben und gemeinschaftlich weiterentwickelt. Ein MSOT-Scanner nutzt den optoakustischen Effekt aus, bei dem Schallwellen erzeugt werden, wenn Licht von einem Material absorbiert wird. Das Gerät fängt die Schallwellen auf und generiert aus diesen mit einem sogenannten Rekonstruktionsalgorithmus Bilder, die auf dem Scanner-Monitor angezeigt werden. Leider liefern einfache Algorithmen, die Bilder in Echtzeit generieren, nur eine unzureichende Bildqualität. Im Gegensatz dazu brauchen komplexere Algorithmen, die hochauflösende Bilder produzieren, eine sehr lange Verarbeitungszeit und sind damit für den klinischen Alltag nicht praktikabel.

Die Lösung: Beschleunigte Optoakustische Bildgebung mit uneingeschränkter Bildqualität

Das neue neuronale Netzwerk DeepMB ist in der Lage, hochauflösende optoakustische Bilder etwa tausendmal schneller zu erzeugen als bisherige Verfahren der Bildrekonstruktion, ohne dass dabei die Bildqualität beeinträchtigt wird. Entscheidend für die verbesserte Leistung war dabei die Trainingsstrategie von DeepMB. Diese basierte auf optoakustischen Signalen, die aus verschiedenen Bildern realer Messungen generiert wurden und mit optoakustischen Bildern abgeglichen wurden, die aus den entsprechenden Signalen rekonstruiert wurden. Das resultierende Framework überwindet auch eine der Hauptherausforderungen der künstlichen Intelligenz: die Übertragbarkeit. Das bedeutet, dass DeepMB in der Lage ist, alle Patientenscans unabhängig vom untersuchten Körperteil oder der analysierten Krankheit, genau zu rekonstruieren.

Klinische Anwendung der optoakustischen Tomographie

Mit DeepMB bekommen Klinikmitarbeiter:innen erstmals die Möglichkeit Bilder mit der MSOT-Bildqualität aufzunehmen. Dies stellt einen bedeutenden Fortschritt für diese Technologie dar. Von der neuen Entwicklung werden nicht nur klinische Studien profitieren sondern letztlich wird DeepMB zu einer besseren Versorgung von Patient:innen führen. Die Grundprinzipien von DeepMB können zudem auf viele andere Rekonstruktionsmethoden in der optoakustischen Bildgebung angepasst werden, einschließlich weiterer Forschungsprojekte von Helmholtz Munich und selbst auf Bildgebungsverfahren wie Ultraschall, Röntgen oder Magnetresonanztomographie (MRT).

^{Funding information}

^{This project has received funding from the Bavarian Ministry of Economic Affairs, Energy and Technology (StMWi) (DIE-2106-0005// DIE0161/02, DeepOPUS) and from the European Research Council (ERC) under the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 694968 (PREMSOT).}

Nicht nur ein Schutzhelm: Die komplexe Verbindung zwischen Schädel und Gehirn

Entgegen der traditionellen Vorstellung, dass zwischen Schädel und Gehirn kein direkter Austausch besteht, haben jüngste Studien direkte Verbindungen zwischen dem Knochenmark des Schädels und der äußersten Oberfläche des Gehirns, der Meningenoberfläche von den Membranen, aufgedeckt. Diese Verbindungen dienen als Kanäle, die die Bewegung von Immunzellen erleichtern. Das Team von Forschenden stellte fest, dass die Verbindungen teilweise sogar durch die äußerste und widerstandsfähigste Membranschicht, die Dura, verlaufen und damit Öffnungen näher an der Hirnoberfläche als zuvor angenommen bilden. Die Kanäle konnten mit einer spezialisierten Methode namens Tissue Clearing in Kombination mit 3D-Bildgebung sichtbar gemacht werden. Dabei werden biologische Gewebe mit einer speziellen Lösung behandelt, um sie transparent und Licht-durchdringbar zu machen. So kann die Untersuchung von Hirngewebe und Schädel unter einem Mikroskop ermöglicht werden. Mit dieser Methode konnten 3D-Bilder für eine umfassende visuelle Analyse von Strukturen und Zellen erzeugt werden.

Das Forschungsteam untersuchte zudem die besondere Rolle der Immunzellen im Schädel in Bezug auf die Gehirnphysiologie und -erkrankungen genauer. Es wurde analysiert, ob der Schädel einzigartige zellspezifische und molekulare Bestandteile beherbergt, die in anderen Knochen nicht vorhanden sind. Eine Analyse der RNA- und Proteinzusammensetzung mittels Transkriptomik und Proteomik von sowohl Mäusen als auch menschlichen Knochen bestätigte dies: Der Schädelknochen ist tatsächlich außergewöhnlich und beherbergt einzigartige neutrophile Immunzellen, eine Art von weißen Blutzellen, die eine entscheidende Rolle in der Abwehr des Immunsystems spielen. "Diese Ergebnisse haben tiefgreifende Auswirkungen und legen nahe, dass die Verbindung zwischen Schädel und Gehirn weitaus komplexer ist als bisher angenommen", hebt die Erstautorin der Studie, Ilgin Kolabas, Doktorandin im Labor von Ertürk bei Helmholtz Munich, hervor.

Ali Ertürk, der Letztautor, fügt hinzu: „Dies eröffnet eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Diagnose und Behandlung von Gehirnerkrankungen und hat das Potenzial, unser Verständnis von neurologischen Krankheiten zu revolutionieren. Der Durchbruch könnte zu einer effektiveren Überwachung von Erkrankungen wie Alzheimer und Schlaganfall führen und möglicherweise sogar dazu beitragen, den Ausbruch dieser Krankheiten durch frühzeitige Erkennung zu verhindern.“

Für eine bessere Zukunft: Vom Forschungslabor zur klinischen Praxis

Eine weitere bahnbrechende Entdeckung mit Hilfe von PET Scans (Positronen-Emissions-Tomografie) war, dass die Signale des Schädelknochens denen des darunterliegenden Gehirns ähnelten und, dass Veränderungen dieser Signale mit dem Fortschreiten von Krankheiten, wie Alzheimer und Schlaganfall, korrelierten. So könnten in Zukunft Gehirnentzündungen einfach durch das Scannen der Kopfoberfläche der Patient:innen überwacht werden.

Die Forscher:innen haben das Ziel, ihre Erkenntnisse in Form von nicht-invasiven Schädelaufnahmen in die klinische Praxis in Zukunft zu integrieren. Ali Ertürk erklärt die Auswirkungen für die Kontrolle von Krankheiten: "Die Gehirngesundheit könnte einfach mit tragbaren Geräten überwacht werden, was in der Anwendung sehr praktisch wäre." Das Team hofft, dass dieser Ansatz die Diagnose, Überwachung und möglicherweise sogar die Behandlung von neurologischen Störungen erheblich verbessern wird und uns einen Schritt näher zu einer effektiveren Bewältigung dieser schweren Krankheiten bringt.