Schnittstelle von Physik und Medizin: neues interdisziplinäres Zentrum

Die Physik hat vor allem in ihrer praktischen Form schon immer die Medizin unterstützt. In einem interdisziplinären Zentrum in Erlangen sollen nun Physiker und Mediziner gemeinsam forschen und dabei auch theoretische physikalische Grundlagen bei der Erforschung von Krankheiten miteinbeziehen. Nicht nur die Chemie von Krankheiten, sondern auch die daran beteiligten Kräfte und andere physikalische Faktoren wie elektrische Ladung oder Temperatur sollen nunmehr Beachtung finden.

Prof. Vahid Sandoghdar, einer der Initiatoren des Zentrums für Physik und Medizin in Erlangen (ZPM), erklärt im Interview mit MEDICA.de, was die Hauptziele der interdisziplinären Schnittstelle sind, welche Forscher dort in Dialog miteinander treten sollen und was die Einbeziehung biomechanischer Faktoren in der Medizin leisten kann.

Prof. Sandoghdar, welche Erkenntnisse erhoffen Sie sich von dem neuen Zentrum?

Prof. Vahid Sandoghdar: Wir möchten physikalische Konzepte und Methoden in die medizinische Grundlagenforschung miteinbringen. In der Medizin hat man immer schon mit Physikern zusammengearbeitet, zum Beispiel um Diagnostikgeräte oder Bildgebungsgeräte zu realisieren, die man heute in jedem Krankenhaus findet. Jeder Operations- und Untersuchungsraum ist mit Technik - also Physik - ausgestattet. Die Physik hat also schon immer zur Praxis in der Medizin sehr viel beigetragen.

Wir möchten erreichen, dass die grundlegende medizinische Forschung auch physikalisch untersucht wird. Im Moment ist es so, dass wir Krankheiten eher mit biochemischen, zellbiologischen, oder genetischen Methoden untersuchen. Das sind Laborprozesse, die man aus einem Biologiestudium oder einem Medizinstudium kennt. Wir denken, dass auch Methoden aus der Physik oder aus der mathematischen Modellierung hier eine wichtige Rolle spielen können. Die Mess- und Denkweise aus der Physik können in der Medizin ebenfalls eingesetzt werden.
Physiker sind es gewohnt, für eine bestimmte Messung eine ganze Maschinerie zu entwickeln und dabei sehr empfindlich zu messen - um beispielsweise den Zuckergehalt, den PH-Wert oder die Konzentration von Ionen im Gewebe zu messen. Alle diese Methoden können noch so weiterentwickelt werden, dass man auch auf einer Kleinstnetzskala sehr empfindlich messen könnte. Man könnte zum Beispiel einzelne Proteine und ihre Verteilung in der Zelle oder im Gewebe bestimmen.

Was bedeutet dies zum Beispiel für die Früherkennung von Krankheiten?

Sandoghdar: Wir möchten Methoden entwickeln, um empfindliche Messungen wie in der Biophysik auch im medizinischen Kontext durchführen zu können. Wenn man alles auf der molekularen Ebene bis ins kleinste Detail misst, charakterisiert und versteht, bekommt man neue Informationen. Diese können neuen Input für Leute geben, die Medikamente entwickeln, oder versuchen Krankheiten zu heilen. Die Idee ist, dass wir alle Methoden, die wir aus der Mikroelektronik, Nanotechnologie, optischer Mikroskopie, Mikrofluidik und Nanofluidik kennen, einsetzen, um sehr empfindliche lokale Untersuchungen durchzuführen. Man kann zum Beispiel Moleküle anhand von Fluoreszenz detektieren, aber es gibt auch Methoden, die ohne Fluoreszenzmarker funktionieren. Es besteht dabei eine Verbindung zu Methoden wie Lab-on-a-Chip.

Können Sie ein konkretes Beispiel dafür nennen, wann die Einbeziehung biomechanischer Prozesse zu einem größeren Verständnis eines Krankheitsbildes führen kann?

Sandoghdar: Es gibt ein bekanntes Beispiel, bei dem es um Krebszellen geht. Es beschäftigt seit dreißig Jahren sowohl Physiker als auch Mediziner. Tumorzellen werden mobil und breiten sich über Metastasen im Körper aus. Man hat bei sehr vielen Untersuchungen gesehen, dass dieses Phänomen viel mit den elastischen Eigenschaften von Zellen zu tun hat. Die Steifigkeit und mechanischen Eigenschaften von Zellen ändern sich also durch die Krankheit. Das kann auch ein Grund dafür sein, dass sie sich so einfach durch Poren und kleinste Öffnungen ausbreiten können. Der konventionelle Ansatz bezieht mechanische Prozesse nicht mit ein, sondern schaut eher auf die chemischen Prozesse. Es wird bestimmt, dass zum Beispiel Moleküle oder Proteine Signale senden und auf diese Weise etwas mobilisieren. Es gilt zu zeigen, dass in diesem Fall auch grundlegende physikalische Gesetze der Bewegung, der Diffusion und der statistischen Mechanik eine zentrale Rolle spielen.

Wer soll im ZPM arbeiten und forschen? 

Sandoghdar: Es soll sich um ein interdisziplinäres Zentrum handeln, wobei wir hoffen, hauptsächlich Physiker und Mathematiker zu engagieren. Sie sollen durch Gespräche mit Medizinforschern und Zellbiologen entscheiden, welche Fragestellungen untersucht werden sollen, und dann ihre gesamten Kenntnisse zur Lösung einbringen. Dies muss in einem ständigen Dialog geschehen. Deswegen wollen wir das Zentrum mitten auf dem medizinischen Campus unseres Klinikums in Erlangen bauen, sodass die Physiker in der Umgebung von Ärzten und Medizinforschern arbeiten können. Das ist nicht ganz unkompliziert, denn die Physiker beispielsweise haben andere Fragestellungen und einen anderen Hintergrund als die Mediziner. Das Ziel, zwei völlig unterschiedliche Disziplinen zusammenzubringen, kann nur in einem mehrjährigen Prozess erreicht werden.

Wie genau soll der Dialog zwischen den beiden Disziplinen aussehen? Sind die beiden Disziplinen völlig ineinander übersetzbar?

Sandoghdar: Wir stellen uns vor, dass die Fragestellung von der Medizin kommt. Sie muss sozusagen das Problem motivieren, also uns auch über Hintergründe, bereits gesammelte Erkenntnisse und etwaige Herausforderungen informieren. In diesem Gespräch können die Physiker dann bestimmen, welche Messungsmethoden sie anwenden würden. Den "Werkzeugkasten" der Physiker kennen die Mediziner noch nicht. Wenn Biologen oder Mediziner normalerweise physikalische Techniken benötigen, sind sie auf das angewiesen, was kommerziell erhältlich ist - zum Beispiel Mikroskope oder Spektrometer. Viele Methoden kann man jedoch nicht kommerziell erwerben, aber die Physiker können diese spezifisch für ein bestimmtes Experiment bauen. Das, was also auf einem Gebiet bereits fest etabliert ist, könnte auf einem anderen Gebiet noch eine große Wirkung haben.