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27.7.2018 - Digitalisierungslauf mit Herrn Minister Strobl

Zieleinlauf der Läufer und Projektbeispiele am NMI

Digitalisierung und Individualisierung der Medizin - Fokus Krebstherapie

Vorgestellt wird das Projekt PRIMO, das vom Wirtschaftsministerium im Rahmen der Strategie zur Digitalisierung der Gesundheitswirtschaft neue Ansätze zur Verbesserung der digitalen Infrastruktur, der softwarebasierten Automatisierung manueller Prozesse, Machine-learning-Algorithmen und BigData Management entwickelt, um effizientere Analysen relevanter Patientendaten zu erreichen. In enger Zusammenarbeit mit dem Zentrum für Personalisierte Medizin (ZPM) Tübingen werden Methoden der Präzisionsonkologie evaluiert, wie z.B. personalisierte Wirkstofftests mit patienten-abgeleiteten 3D Mikrotumoren in Co-Kultur mit autologen Immunzellen. Darüber hinaus werden multimodale Verfahren zur simultanen Analytik von Proteinprofilen und genetischen Signaturen gezielt weiterentwickelt und Methoden für das therapiebegleitende Monitoring der minimalen Resterkrankung (MRD) weiter automatisiert, mit dem Ziel, die Umsetzung personalisierter Therapieansätze in integrative und dynamische Behandlungskonzepte voranzutreiben.

Zwei wichtige Teilprojekte von PRIMO werden mit Exponaten vorgestellt:

DNA mit künstlichem Barcode - Krebs-Resterkrankung genau quantifizieren
Eine „minimale Resterkrankung“ bezeichnet verbliebene Krebszellen im Körper von Leukämie-patienten. Diese können über sensitive Testverfahren von bis zu einer Tumorzelle pro 100.000 gesunden Zellen nachgewiesen werden. Hahn-Schickard forscht an der zentrifugalmikrofluidischen Automatisierung eines neuartigen Testverfahrens basierend auf Next Generation Sequencing. Hierbei werden bestimmte Genabschnitte der Patienten-DNA mittels  digitaler Multiplex-PCR vervielfältigt. Zudem werden sogenannte „Unique Molecular Identifiers“ eingesetzt, mit denen jedes DNA Molekül mit einem künstlichen Barcode versehen werden kann. Mittels anschließendem Next Generation Sequencing und bioinformatischer Auswertung lässt sich die „minimale Resterkrankung“ genau quantifizieren.
In der Ausstellung wird gezeigt, wie die Tropfengenerierung in diesem Prozess von statten geht und wie das einzigartige Testverfahren umgesetzt werden soll. Überlebensgroße Modelle der sonst winzigen Tropfen veranschaulichen den Besuchern die Welt der Mikrosystemtechnik.

 

Maßgeschneiderte Therapie - Krebs-Resterkrankung patientenindividuell überwachen
Minimal residual disease (MRD) bezeichnet eine minimale Krebsresterkrankung im Körper eines therapierten Patienten, u.a. bei Akuter Lymphoblastischer Leukämie. Ziel ist es, Technologien zu entwickeln, um die patientenindividuelle MRD-Überwachung softwarebasiert zu automatisieren und hierdurch zu standardisieren. Dies wird eine optimale Abstimmung der Therapie auf den aktuellen Patientenstatus unterstützen und hierdurch einen schnellen Heilungsprozess fördern. Die Digitalisierung wird so zukünftig den Einsatz komplexer diagnostischer Verfahren im klinischen Alltag erleichtern und eine hohe Ergebnissicherheit über mehrere Jahre hinweg bewirken.
In der Ausstellung erhalten die Besucher erste Einblicke in das Konzept der neuen Software für die Entwicklung von Testverfahren im Krebsmonitoring.

 

 

Digitalisierte Biomaterialien: Verbesserte Implantate durch Vorhersage der Materialverträglichkeit

Vorgestellt wird das Forschungsprojekt “System-Immunologie an biologisch-technischen Grenz-flächen“, das auf Basis eines systemischen und bioinformatischen Ansatzes ein fundamentales Verständnis über die bestmögliche Beschaffenheit von Implantaten für ihre jeweilige Verwendung ermöglicht. Durch die Digitalisierung der Daten und in Verbindung mit digitaler Designvorhersage wird die Entwicklung neuer Generationen von Implantaten ermöglicht.

Das Immunsystem ist sowohl in der Lage, die erfolgreiche Integration medizinischer Implantate in den Körper zu fördern, als auch das eingebrachte Fremdmaterial zu attackieren, was zum Versagen des Implantats und zu unerwünschten Nebeneffekten für den Patienten führen kann. Die System-immunologie beschreibt diese komplexen biologischen Immunreaktionen, die als Entzündung, Abstoßung von körperfremdem Material oder Sensibilisierung in Erscheinung treten können.

Im Rahmen des Projekts werden mehr als 200 Biomaterialien wie Kunststoffe, Metalle, Keramiken und Biopolymere chemisch und physikalisch charakterisiert und so eine klassifizierte Werkstoffkollektion aufgebaut. Zur Untersuchung ihrer immunologischen Reaktionsprofile an den Materialgrenzflächen werden biologische In-vitro-Testverfahren entwickelt und in einem ganzheitlichen, systemimmuno-logischen Ansatz ausgewertet. Basierend auf einer Datenbank aus diesen Ergebnissen wird eine verlässliche Vorhersage von Materialunverträglichkeiten ermöglicht. Das NMI arbeitet hierzu mit drei Partnern der Universität Tübingen, einer Arbeitsgruppe der Hochschule Reutlingen und drei forschungsstarken Biotechnologieunternehmen zusammen. Weitere 20 nationale und internationale Unternehmen aus der Medizintechnikbranche und der Biotechnologie werden das Verbundprojekt mit Rat und Tat und der Lieferung relevanter Materialien als Mitglieder eines industriellen Lenkungskreises begleiten.

 

 

KI-basiertes quantitatives Diagnostiksystem

Vorgestellt wird das Forschungsprojekt „Intelligente Diagnostik“, das ein KI-basiertes quantitatives Diagnostiksystem am Beispiel von Hauttumoren entwickelt. Dabei liefert ein neues quantitatives Bildgebungsverfahren informative Bilder wie sie bisher nicht möglich waren und stellt die digitale medizinische Diagnostik damit auf eine neue Stufe.

Anstelle einfacher Digitalbilder ermittelt das neue Verfahren neben der 3D-Topologie der Oberfläche weitere für die Diagnostik relevante Parameter wie beispielsweise die Flächenverteilung von Blut, Wasser, Melanin, Kollagen und Carotinoiden, die Sauerstoffsättigung im Blut sowie die Hämodynamik und erlaubt eine präzise Verlaufskontrolle. Die Beobachtung des Krankheitsverlaufs ist für die Diagnose i.d.R. aussagekräftiger als eine einzelne Momentaufnahme. Für die Datenanalyse werden innovative, KI-basierte Konzepte eingesetzt, so dass am Ende ein auf präzisen Daten basierendes selbstlernendes System entsteht.

So kann jeder einzelne Arzt seine Diagnose auf der Basis eines ständig wachsenden und sich verbessernden Expertenwissens erstellen. Dadurch wird sich die Treffsicherheit erhöhen, insbesondere für weniger erfahrene Ärzte oder für Krankheiten, die schwierig zu diagnostizieren sind oder selten auftreten. Das System wird zunächst für die Diagnostik von Hauttumoren trainiert und evaluiert, kann dann aber auch auf andere Hautkrankheiten erweitert werden. Der Nutzen der standardisierten, auf quantitativen Daten beruhenden Diagnostik und Verlaufskontrolle wird in Form einer erhöhten Sensitivität und Spezifität der gestellten Diagnosen messbar sein. In einem zweiten Schritt ist die Nutzung des neuen Verfahrens auch von nicht-ärztlichem medizinischem Personal vorgesehen.

 

 

Bioprinting – gedruckte Organe

Digitalisierung biomedizinischer Herstellprozesse mit Hilfe des 3D-Drucks

Noch sind Organe aus dem 3D-Drucker Zukunftsmusik. Doch mit Hilfe des Bioprintings könnten sie Wirklichkeit werden. Bioprinting, eine Verknüpfung von Digitalität und Biotechnologie, ermöglicht bereits heute, die Herstellung einfacher Strukturen unterschiedlicher, zellbeladener Materialien mit einer Zusammensetzung analog dem natürlichen Gewebe. Während für einfache Gewebe wie Knorpel-, Binde- oder Fettgewebe ein Zeithorizont von 5 bis 10 Jahren bis zum klinischen Einsatz für möglich gehalten wird, ist es bis zum voll funktionsfähigen künstlich erzeugten Gewebe oder gar zur Fertigung von Organen für eine Transplantation noch ein sehr weiter Weg.

Dieses Thema nimmt die Präsentation des Projekts „SOP_BioPrint“ auf. Im Rahmen des Projekts werden robuste und validierte Herstellungs-, Verfahrens- und analytische Methoden etabliert, die als Best Practices eine personen- und ortsunabhängige Reproduktion von Messergebnissen im Bereich des Bioprintings ermöglichen. Dazu werden industriell etablierte Polymere und Hydrogelsysteme mit biologisch aktiven Substanzen als Biotintenformulierungen etabliert und für den Einsatz bei verschiedenen Biodruck-Technologien getestet. Auf allen Ebenen dieses Vorganges steht dabei eine standardisierte Charakterisierung und Verfahrensetablierung im Vordergrund.

 

 

MaterialDigital

Vorgestellt wird das Projekt MaterialDigital, das die Potenziale, die die digitale Transformation für die Werkstofftechnik bietet, erforscht und Lösungen aufzeigt, wie Erzeugung, Speicherung und Analyse von Materialinformationen im Zuge der Digitalisierung für Wettbewerbsvorteile genutzt werden können. Das Projekt untersucht, auf welche Weise digitale Repräsentationen, Materialdatenflüsse und Datenanalysewerkzeuge aufgesetzt und verknüpft werden müssen, damit neue und innovative Möglichkeiten der Wertschöpfung in Entwicklung, Verarbeitung und im Einsatz von Werkstoffen realisiert werden können.

 

Konkret wird am Aufbau eines Materialdatenraums gearbeitet, der alle materialspezifischen Daten digital verwaltet, eine automatisierte Abfrage bietet und damit die Rekonstruktion von Materialeigenschaften und Zustandsinformationen ermöglicht. Mit Hilfe eines digitalen Materialzwillings können so Entwicklungsabläufe, Fertigungsschritte und Bauteilperformance optimiert werden. Gleichzeitig liefern die Daten die Grundlage zur Werkstoffoptimierung in Bezug auf die Produktfunktionalität und -eigenschaften (Festigkeit, Lebensdauer etc.). 

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