Förderung der Effizienz in der Forschung mit kompakten, benutzerfreundlichen Mikroskopen

Produktion mit Zellen - Schaffung einer neuen Industriesparte durch industrielle Anwendung von Biomaterialien

Dr. Shoji Takeuchi am Biohybrid-Systemlabor der Universität Tokio forscht daran, schwer handhabbare Biomaterialien in einfach handhabbare Materialien, wie Industriekomponenten, umzuwandeln. Unter dem Thema eines Hybrids aus lebenden Organismen und Maschinentechnik versucht er, eine neue Grenze im Bereich der Produktherstellung zu öffnen. Auf dem Gebiet der Nanobiotechnologie hat er mehrere innovative Forschungsergebnisse erzielt, wie z. B. die Bildung künstlicher Lipiddoppelschichtmembranen. Kürzlich entwickelte er einen Vorschlag zur Mikrofabrikation von Hydrogel als biokompatibles Material und erforschte damit neue Bereiche wie Implantate und die 3D-Montage von Zellen. Diese Forschung wird als Grundlage für die Entwicklung künstlicher Zellen dienen. Mit dieser Entwicklung hofft er, einen Beitrag im medizinischen Bereich zu leisten und eine neue Industriesparte zu schaffen. Um dieses Ziel zu fördern, engagiert er sich neben der Grundlagenforschung auch aktiv in der angewandten Forschung durch die Zusammenarbeit von Wirtschaft und Wissenschaft.

01. Studiengang Insektenbiomechanik während seines Grundstudiums

Sein Labor befindet sich im Biohybrid-Systemlabor der Universität Tokio, das unter dem Motto „Think Hybrid“ steht. Dieses Motto bedeutet, „durch die Mischung verschiedener Forschungsbereiche etwas Neues zu schaffen.“ Entsprechend dieser Philosophie besteht das Laboratorium aus einer Vielzahl unterschiedlichster Mitglieder, angefangen von jungen Forschern in Bereichen wie Robotik, Elektrotechnik, Informationssysteme, Biologie, Chemie und Materialien bis hin zu Medienkünstlern. Zudem fördert jedes Mitglied des Laboratoriums die Spitzenforschung und Interaktion mit der Öffentlichkeit.

Dr. Takeuchis Suche nach einem Hybrid aus lebenden Organismen und Maschinentechnik begann, als er als Universitätsstudent einen Roboter entwickelte, um die Bewegung von Insekten zu simulieren. Damals führte er Experimente durch, um aus Insekten herausgeschnittene Beine durch Einführen von Elektroden zur Übertragung elektrischer Signale ausdehnen und zusammenziehen zu lassen. Später während seines weiterführenden Studiums setzte er Implantate in Insektenkörpern ein, um ihre Bewegung zu kontrollieren. Durch diese Experimente kam er auf die Idee, ein völlig neues Gerät zu schaffen, indem er die jeweils besten Funktionen von lebenden Organismen auf Maschinen übertrug. Dann begann er sich für MEMS zu interessieren, eine Technologie zur Herstellung von Mikromaschinen.

Seine Idee zeichnete sich dadurch aus, MEMS außerhalb des mechanischen Bereichs zu nutzen und Maschinen auf Zell- oder Proteineniveau herzustellen, indem er aktiv biokompatible Materialien einsetzte. Er beabsichtigt, eine „Maschine zu schaffen, die mit lebenden Organismen interagieren kann“, oder eine „Maschine, die auf der Genebene arbeiten kann.“ Mit dieser Zielsetzung versucht er, in 10 oder 20 Jahren auch im medizinischen Bereich mitzuwirken. Außerdem ist er überzeugt, dass seine Aufgabe darin besteht, die Fertigungsindustrie durch innovative Technologien zu beeinflussen.
„Bisher werden Maschinen üblicherweise aus Silizium, Metall und Kunststoff hergestellt. Unser Labor untersucht jedoch, wie Zellen und Proteine als mechanische Materialien verwendet werden können. Unsere derzeitige Herausforderung liegt in der Entwicklung einer Entwurfs- und Prozessmethode, um dies zu erreichen“, sagt Dr. Takeuchi.

02. Erfolgreiche künstliche Kultivierung von Nervenzellen und deren Bindung an das Gehirn

Unter den verschiedenen Arten vorhandener Zellen arbeitet Dr. Takeuchi von Anfang an mit Nervenzellen als Forschungsschwerpunkt. Sein Ziel ist es, durch einen technischen Ansatz Nervenzellen in großen Mengen zu kultivieren, sodass sie bei der Behandlung von Rückenmarksverletzungen und der Wiederherstellung anderer Nervenfunktionen nützlich sein werden.

„Bei der klassischen Behandlung zur Nervenregeneration werden neurale Stammzellen in den Körper injiziert, sodass sich die Zellen spontan vermehren, ein Phänomen, das als Spontanheilung bezeichnet wird. Im Gegensatz dazu verfolgt unser Labor das Ziel, das Verhalten von Nervenzellen genau zu kontrollieren, um die Wiederherstellung von neuronalen Netzwerken zu unterstützen.“

In Experimenten mit Mäusen hat eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Dr. Takeuchi durch Kultivierung von Nervenzellen 3D-Nervengewebe hergestellt. Darüber hinaus gelang es der Gruppe, dieses 3D-Nervengewebe erfolgreich auf der Hirnoberfläche zu implantieren, sodass sich die Dendriten der kultivierten Nervenzellen an das Gehirn der Maus angeheftet haben. Diese Forschung wurde 2010 in der Zeitschrift „Biomaterials“ veröffentlicht und dann von einem führenden japanischen Fernsehsender und einer großen japanischen Zeitung wegen ihres beträchtlichen Potenzials als regenerative Medizin vorgestellt.

Laut Dr. Takeuchi werden Studien im Zusammenhang mit der Regeneration des Hirnnervs in zwei Typen eingeteilt: ein kontaktloser Ansatz, bei dem elektrische Signale von der Außenseite des Gehirns aufgefangen werden, und ein invasiver Ansatz, bei dem elektrische Signale direkt vom Hirnnerv abgelesen werden, indem Elektroden in den Nerv eingeführt werden. Der kontaktlose Ansatz ist sicherer, hat aber eine geringere Empfindlichkeit gegenüber dem Signalempfang. Andererseits wirft der invasive Ansatz Bedenken hinsichtlich der Auswirkungen auf lebende Organismen aufgrund des direkten Einbringens von künstlichen Materialien in Zellen auf.

Der Ansatz von Dr. Takeuchi liegt zwischen diesen beiden Ansätzen. Er beabsichtigt, künstliche Zellen aus Biomaterialien herzustellen und sie als Elektroden in Nervengewebe des Gehirns zu implantieren. Dieser Ansatz gewährleistet Sicherheit mit künstlichen Zellen, die als Elektroden verwendet werden sollen, und bietet zudem eine stärkere Nervenkontrolle. Elektroden aus Biomaterialien bezeichnet Dr. Takeuchi als „Hybridelektroden“.

03. Entwicklung von Technologien zur Massenproduktion von Zellen

Gegenwärtig versucht das Labor von Dr. Takeuchi, künstliche Nerven und andere Zellen mit Hilfe von Biomaterialien zu entwickeln. Es versteht sich von selbst, dass es noch viele Herausforderungen zu bewältigen gilt, bevor künstliche Zellen, wie sie in der Natur vorkommen, geschaffen werden können. Das Labor untersucht ein Verfahren zur Massenproduktion von Zellmembranen oder Zellbehältern, ähnlich wie „Seifenblasen“, durch die Anwendung von MEMS-Technologien.

„Nach der Entwicklung einer Technologie zur Zellverkapselung halte ich es für möglich, die im medizinischen Bereich benötigten Zellen, künftig in großem Umfang herzustellen und sie später dreidimensional zu Organen zusammenzusetzen, die für die medizinische Behandlung notwendig sind. Wenn die Studien über künstliche Zellen voranschreiten, werden wir in der Lage sein, Zellen flexibel zu gestalten, um die Entwicklung neuer Medikamente zu unterstützen oder Öl mithilfe von Mikroorganismen zu produzieren. Ich halte diese Aktivitäten keineswegs für Fantasien.“

Dr. Takeuchi erwartet, dass Japan aufgrund seiner besonderen Stärke in den Produktionstechnologien eine weltweit führende Position in den Biowissenschaften einnehmen wird. Durch die Zusammenarbeit zwischen verschiedenen akademischen Bereichen wie MEMS und der medizinischen Wissenschaft glaubt er, dass in Japan ein neuer Industriezweig entstehen wird, der zur medizinischen und gesundheitlichen Versorgung beiträgt.

„In der Industriewelt haben nur wenige Menschen überhaupt daran gedacht, Zellen und andere lebende Organismen als Produktionsmaterial zu verwenden. Das liegt vor allem daran, dass sich deren Handhabung als sehr schwierig gestaltet. Sobald jedoch Zellen standardisiert sind, sodass sie wie mechanische Komponenten behandelt werden können, wird es möglich sein, Biomaterialien für industrielle Anwendungen zu nutzen. So wird es beispielsweise möglich sein, Zellen in Massenproduktion herzustellen und sie als Blöcke an die Hersteller zu liefern, die sie dann zu verschiedenen Produkten zusammensetzen.“

Künstliche Zellen klingen wie ein Menschheitstraum, aber sie werfen auch viele ethische Fragen auf. Dr. Takeuchi selbst ist sich der enormen Auswirkungen seiner Studie auf die Gesellschaft voll bewusst. Mit dieser Erkenntnis hat er von Anfang an Studien in Zusammenarbeit mit Forschern aus verschiedenen wissenschaftlichen Bereichen durchgeführt und seine Forschungsergebnisse wiederholt mit Philosophen diskutiert. In seinem Labor gibt es auch Medienkünstler, die die Forschung des Labors durch visuelle Darstellungen bekannt machen.

„Die Gesellschaft mag es als etwas beängstigend empfinden, wenn die Forschung sich mit Genmanipulation befasst. Um dieser Angst zu begegnen, ist es wichtig, dass wir parallel zu unseren Studien unsere Aktivitäten der Gesellschaft richtig vermitteln.“

04. Durchbruch durch Interaktion mit Forschern in verschiedenen Bereichen

Dr. Takeuchi bezeichnet seine Mitarbeiter aus verschiedenen Bereichen als „Heterogruppe“. Die Interaktion zwischen diesen heterogenen Mitgliedern vergrößert mittlerweile sehr schnell den Umfang ihrer Studien. Neben seiner Tätigkeit als Direktor des Sonderforschungsbereichs Bio/Nano-Hybridverfahren arbeitet Dr. Takeuchi derzeit als Forschungsdirektor des Biohybrid-Innovationsprojekts von ERATO und als Leiter des KAST-Gründungs-/Entwicklungsprojekts Bio-Mikrosystem. Das Biohybrid-Systemlabors verfügt über vier Laboratorien, von denen eines derzeit eingerichtet wird. Etwa 20 Forscher studieren in ihren jeweiligen Forschungsbereichen, einige mit mehr als acht Bereichen gleichzeitig.

Wie hat Dr. Takeuchi das Studienprogramm erweitert? „Es sollte keine richtigen oder falschen Lernstile geben“, sagte er. „Einige können einzeln ihre eigenen Themen vertiefen, während andere verschiedene Themen in einer Gruppe durch zahlreiche Diskussionen untersuchen, wie wir es in meinem Laboratorium tun. Anstatt Themen einzuschränken, befürworte ich eher, dass jeder Studienforscher Ideen entwickelt und diese auch umsetzt und sie nicht einfach als bloße Ideen stehen lässt. Ich denke, dass jeder Forscher den Umfang seiner Forschung durch aktives Engagement in den ihn interessanten Themen erweitern kann. Natürlich erfordert dies die Interaktion mit Forschern in verschiedenen Bereichen, und menschliche Zusammenarbeit ist wirklich wichtig, um die Interaktion zu erleichtern. Da mein Laboratorium aus einer Vielzahl von Forschern besteht, ist es notwendig, dass sie nicht nur ihre Forschungsthemen gemeinsam diskutieren, sondern auch mit verschiedenen Forscherpersönlichkeiten richtig zusammenarbeiten.“

05. Förderung effizienterer Forschung mit kompakten, benutzerfreundlichen Mikroskopen

Das Labor von Dr. Takeuchi hat wegen seiner innovativen Forschungsergebnisse sowohl in Japan als auch im Ausland große Aufmerksamkeit erregt. Es überrascht nicht, dass sein Labor neben optischen Mikroskopen auch mit Fluoreszenz- und Rasterelektronenmikroskopen ausgestattet ist. Denn es handelt sich um ein Labor, in dem „Hybride aus lebenden Organismen und Maschinentechnik“ entwickeln werden sollen. Unter ihnen werden KEYENCE VHX-Mikroskope am häufigsten zur Formbetrachtung und Größenmessung von mikrogefertigten Prototypen-Komponenten eingesetzt.

Fluoreszenzmikroskope der Modellreihe BZ werden auch häufig zur Beobachtung lebender Zellen und prototypischer Zellmembranen eingesetzt. Gegenwärtig sind zwei Mikroskope der Modellreihe BZ im Labor aufgrund des häufigen Beobachtungsbedarfs installiert. Das Labor setzt diese Mikroskope auch auf eine einzigartige Weise ein, indem die unter verschiedenen Bedingungen kultivierten Zellen separat auf jeder Modellreihe BZ eingerichtet werden, um mit zwei Monitoren gleichzeitig beobachtet zu werden.

Kaori Kuribayashi, eine Forscherin im Bereich Biomedizin und Materialtechnik verwendet ebenso das Mikroskop der Modellreihe BZ im Labor. Sie beschäftigt sich mit der Entwicklung von 3D-Zellstrukturen für regenerative medizinische Geräte der nächsten Generation, die MEMS-Technologien nutzen. Im Jahr 2009 wurde ihr Forschungsthema „Flexible multifunktionale Mikrogeräte für Gesundheitsfürsorge und medizinische Anwendungen“ von der japanischen Wissenschafts- und Technologiebehörde als eines der Projekte für Nachwuchsforscher zur Gründung und Förderung von Risikokapitalgesellschaften ausgewählt, sodass sie sich nun darauf vorbereitet, zusätzlich zu ihrer Forschungstätigkeit eine Risikokapitalgesellschaft zu gründen.

Auf die Frage nach einem Kommentar zu KEYENCE-Mikroskopen antwortete Dr. Takeuchi:

„Am meisten schätze ich die Benutzerfreundlichkeit. Außerdem gefällt mir die kompakte Größe der Produkte. Für ein Labor mit begrenztem Platzangebot sind kompakte Größe und hohe Vielseitigkeit wichtige Voraussetzungen beim Kauf von Mikroskopen.“

Im Labor von Dr. Takeuchi werden derzeit in jedem Raum VHX-Mikroskope und Fluoreszenzmikroskope der Modellreihe BZ verwendet. Ziel ist die Rationalisierung und Beschleunigung von Forschungsaktivitäten durch die sofortige Betrachtung von MEMS-basierten Prototypen und kultivierten Zellen.

Hiroaki Onoe, ein dem Labor angehörender Assistenzprofessor, ist ebenfalls einer der Forscher, die Mikroskope der Modellreihen VHX und BZ verwenden. Seine aktuelle Forschung umfasst die eigene Herstellung von DNA-funktionalisierter Hydrogel-Mikrostruktur. In seiner zukünftigen Forschung erwartet Herr Onoe, dass die neu im Labor eingesetzten Mehrwinkelobjektive der Modellreihe VHX-D500 den Zeitaufwand für die Prüfung von MEMS-basierten Implantaten verkürzen, da diese Objektive die Beobachtung nicht nur von direkt oben, sondern auch aus einem Winkel oder von der Seite ermöglichen.

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06. Künstliche Erzeugung von Funktionen lebender Organismen mit 3D-Zellen

Neben der fortschreitenden Grundlagenforschung zur Produktion mit Biomaterialien will Dr. Takeuchi zukünftig auch die Forschung zur Kommerzialisierung durch die Zusammenarbeit von Wirtschaft und Wissenschaft fördern. Besonders großes Potenzial sieht er in den Bereichen Medizin und Umwelt. Längerfristig hofft er, die systematische Konstruktion und Verarbeitung durch Hybride aus lebenden Organismen und Maschinentechnik zu erschaffen.

„Nachdem ich eine Technologie zur Massenproduktion von Zellbehältern entwickelt habe, um Zellen als Komponenten leicht verfügbar zu machen, werde ich mich einer neuen Herausforderung stellen und Biomaterialien verwenden, um alles von Sensoren über Aktoren bis hin zu Prozessoren herzustellen. Ich versuche nun, so schnell wie möglich 3D-Strukturen von Zellen herzustellen.“

(Stand: Februar 2011)

Über Dr. Shoji Takeuchi

Im Jahr 1995 schloss er sein Studium an der Fakultät für Mechano-Informatik der Universität Tokio ab und promovierte im Jahr 2000 im Fachbereich Mechano-Informatik der Technischen Fakultät der Universität Tokio. Später übernahm er mehrere Positionen, unter anderem war er Sonderforscher bei der Japanischen Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften und Assistenzprofessor des Biohybrid-Systemlabors der Universität Tokio. Im Jahr 2007 wurde er dann außerordentlicher Professor dieses Labors. Im Jahr 2008 wurde ihm auch die Leitung des Sonderforschungsbereichs für Bio/Nano-Hybridverfahren im Labor übertragen. Im Jahr 2014 wurde er zum Professor des Labors befördert. Seine Forschungsgebiete umfassen Nanobiotechnologie, mikrofluidische Systeme, MEMS und Bottom-up-Tissue Engineering. Er wurde 2008 mit dem Preis für junge Wissenschaftler vom Minister für Bildung, Kultur, Sport, Wissenschaft und Technologie und 2009 mit dem Preis der Japanischen Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaft ausgezeichnet.