Von der Zelle zum Organ

SIMATIC im Dienst der Wissenschaft: Bediengeräte für die Industrie unterstützen die Forschung am Lehrstuhl für Tissue Engineering der Universität Würzburg.
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Herausforderung

"Ersatzteile" für den Menschen schaffen

Es klingt einfach und bleibt bislang doch noch eine Wunschvorstellung: ein neues Organ aus den eigenen Zellen eines Patienten „nachzubauen“ und so schwere Erkrankungen und Verletzungen zu heilen. Eine Forschergruppe in Würzburg hat nun Systeme entwickelt, mit denen diese Vision schneller in Erfüllung gehen könnte.

Auf die optimale Kombination kommt es an

Der Schlüssel zum "nachgebauten" Organ liegt unter anderem in der richtigen Kombination aus Inkubator, Zellsystem und Bioreaktor, mit der die Forscher die Reifung der Zellen und die Gewebeentwicklung fördern. Für die Automatisierung und Visualisierung dieser weltweit wegweisenden Lösung nutzt das Team dabei eine integrierte und effiziente Kombination aus Engineering-Software, HMI-Geräten und Steuerung. Dr.-Ing. Jan Hansmann leitet am Lehrstuhl von Heike Walles die Nachwuchsgruppe Electronic-Tissue Interfaces und ist einer der Forscher, die an der Entwicklung und Herstellung solcher Implantate arbeiten: „Kern der Arbeiten an unserem Institut ist, dass wir menschliche Zellen in eine spezielle, dreidimensionale Matrix einbetten und sie dort zur Reifung bringen. Dadurch können wir verschiedene Gewebetypen erzeugen, zum Beispiel ein komplettes Stück Haut mit Dermis, Epidermis, Hornschicht und Blutgefäßen oder auch Darm- oder Lungengewebe mit den entsprechenden Blutgefäßen und Oberflächen.“

In kleinen Inkubatoren reift das jeweilige Gewebe in speziellen Reaktoren kontrolliert heran. „Es genügt nicht, die Zellen einfach in eine Petrischale zu geben und abzuwarten“, erklärt Hansmann. „Die Matrix muss die richtige Struktur und Biochemie haben.“ Gerade bei komplexeren Implantaten ist es wichtig, dass das Gewebe bereits während der Reifung zusätzliche Stimuli erhält, damit es sich an seine spätere Aufgabe/Umgebung angepasst entwickelt. Für die Reifung und Differenzierung der Zellen müssen der Bioreaktor und das Organ, Implantat oder Gewebe perfekt zusammenpassen. Deswegen werden Bioreaktor und Zellmodell in Würzburg gemeinsam entwickelt, erst mit In-silico-Modellen – also am Rechner – und später real mit der entsprechenden Regelungstechnik. „So können wir Pumpen, Motoren und Sensoren im Inkubator entsprechend ansteuern, damit wir biologische Vorgänge optimal anregen“, erklärt Hansmann.

Kern unserer Arbeit ist, dass wir menschliche Zellen in eine spezielle, dreidimensionale Matrix einbetten und sie dort zur Reifung bringen. So können wir verschiedene Gewebetypen erzeugen, zum Beispiel ein komplettes Stück Haut.
Jan Hansmann, Leiter der Nachwuchsgruppe Electronic-Tissue Interfaces an der Universität Würzburg
Kunde

Der Wirkungsort renommierter Forscher

Wer Würzburg hört, denkt vielleicht zuerst an den Main, die imposante Residenz oder auch an die Weinberge, die sich bis in die Stadt hineinziehen.

Würzburg ist aber nicht nur eine Stadt der Kultur und des Weins, sondern auch eine Stadt der Wissenschaft: Die Universität Würzburg gehört zu den ältesten Universitäten im deutschsprachigen Raum und war schon immer Wirkungsort zahlreicher renommierter Forscher – wie etwa Wilhelm Conrad Röntgen, der hier 1895 die nach ihm benannte Röntgenstrahlung entdeckte. Auch heute wird in den klassizistischen Gebäuden der Universität am Röntgenring womöglich wieder ein Stück Wissenschaftsgeschichte geschrieben: Am Lehrstuhl für Tissue Engineering und Regenerative Medizin von Prof. Heike Walles forschen gleich mehrere Teams daran, wie sich neues Gewebe und sogar komplette Organe aus menschlichen Zellen generieren lassen. Eines der Ziele dieser Arbeiten ist es, daraus Implantate herzustellen, um auch Patienten mit sehr schweren Erkrankungen oder Verletzungen helfen zu können.

Lösung

Die Forschung unterstützen

Für die Automatisierung der Inkubatoren und der Bioreaktoren setzt das Forschungsteam der Universität Würzburg auf eigenes Know-how und bereits bewährte Technologie von Siemens.

Jeder Inkubator ist mit einem SIMATIC HMI Comfort Panel ausgestattet, über das sehr komfortabel Messwerte aufgerufen, analysiert und alle Systeme im Inkubator bedient werden können. Die Steuerung übernimmt eine dezentrale Peripherie SIMATIC ET200 mit eigener CPU. Diese Lösung hat Jan Hansmann bereits während seiner Zeit in Stuttgart mit seinem dortigen Team entwickelt und mit dem Umzug in die neue Arbeitsgruppe nach Würzburg einfach migrieren können. Die Lösung aus Inkubator und Automatisierungstechnik wird von den Mitarbeitern selbst konzipiert und aufgebaut. Mittlerweile stehen 15 dieser Systeme im Labor, weitere sind in Planung.

Kundennutzen

Ein einheitliches System für vereinfachtes Engineering

Für die Projektierung der Panels und Steuerung nutzen die Mitarbeiter in Würzburg die Engineering-Umgebung TIA Portal. „Das System ist wirklich einfach und leicht zu verstehen. Wir müssen in unserem Labor viele einzelne Einheiten in eine durchgehende Architektur integrieren – und mit der Flexibilität von TIA Portal können wir unsere Ausrüstung einfach Schritt für Schritt erweitern und haben gleichzeitig ein einheitliches System, das das gleiche Look-and-Feel für die Mitarbeiter im Labor hat“, erklärt Hansmann.

Das erleichtert den Umgang mit der Technik enorm und spart den Forschern 50 Prozent Aufwand gegenüber dem vorher eingesetzten Engineering-System. Ein weiterer Pluspunkt ist der modulare Ansatz: Verschiedene Inkubatoren nutzen unterschiedliche Module, und die können in der Projektierung jetzt einfach ‚angeflanscht’ werden. Die Wiederverwendbarkeit der bereits entwickelten Bausteine und Bedienbilder werden spielend einfach mit dem Bibliothekskonzept in TIA Portal realisiert.“

Die Bedienbilder für die Visualisierung und die Bausteine für die Steuerung des Inkubators lassen sich in globalen Bibliotheken speichern und stehen so für weitere Projekte zur Verfügung. Die Projektierung lässt sich bei weiteren Entwicklungsstufen einfach erweitern und anpassen. „So konnten wir die Inkubatoren auch sehr einfach an die IT-Landschaft anbinden, sodass wir die Daten der Versuche auch auf einem zentralen Server ablegen und später am jeweiligen PC einfach auswerten und analysieren können. Die Forschungsdaten werden zuverlässig gesichert, und mit den SIMATIC HMI Comfort Panels ist es durch eine Systemkarte möglich, eine automatische und dauerhafte Sicherung auf Knopfdruck zu erstellen“, so der Teamleiter. Von Anfang an konnten die Forscher dabei auch auf eine sehr gute Unterstützung durch Automatisierungslieferanten zählen. „Wir haben mit Siemens bereits unsere ersten Studien gemeinsam entwickelt, noch in Stuttgart“, bestätigt Hansmann. Aktuell werden die Mitarbeiter in seinem Team durch gezielte Schulungen durch das Unternehmen weiter gefördert, damit sie die anstehenden Automatisierungsaufgaben noch effizienter lösen können und mehr Zeit für die wesentlichen Themen des Forschungsauftrages haben.

Schon bald stehen den „Tissue Engineers“ in Würzburg noch mehr Möglichkeiten für ihre Arbeiten zur Verfügung. Denn gerade entsteht dort das Fraunhofer-Translationszentrum „Regenerative Therapien für Krebs- und Muskuloskelettale Erkrankungen“, das die Entwicklung neuer Materialien und deren Biologisierung sowie zellbasierte regenerative Therapien in medizinischen Anwendungen vorantreiben soll. Die im Translationszentrum etablierte Infrastruktur soll auch Unternehmen zur gemeinsamen Entwicklung zur Verfügung stehen.

„Das Zentrum wird helfen, die Möglichkeiten der gezielten Herstellung von Implantaten auf Basis menschlicher Zellen so weit zu optimieren, dass wir schneller mit diesen in die Klinik gehen können. Auch für dieses Zentrum setzen wir weiterhin auf die effiziente Siemens-Technik rund um das Engineering-Framework TIA Portal und die SIMATIC HMI Panels und stellen somit die Weichen für eine erfolgreiche Zukunft der regenerativen Therapien“, ist sich Hansmann sicher, und fügt hinzu: „Es ist sehr wichtig, dass es die entsprechenden leistungsfähigen, automatisierten Bioreaktorsysteme für die Produktion gibt, damit man die zahlreichen Produkte, die im Moment in der Entwicklung und teilweise auch schon kurz vor den klinischen Tests stehen, dann auch herstellen kann.“

Weitere Referenzen

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