PORTFOLIO

Für viele chronisch kranke Menschen eine tägliche Einschränkung der Lebensqualität: Das wiederholte Spritzen von Medikamenten, die nicht in Form einer Tablette eingenommen werden können. Um die häufigen Injektionen solch lebensnotwendiger Medikamente wie etwa Insulin gegen Diabetes oder Erythropoetin bei Nierenkrankheiten zu reduzieren, entwickelt unsere Arbeitsgruppe am Department für Biosysteme der ETH Zürich ein intelligentes Medikamentendepot, das durch einmalige Injektion dem Patienten verabreicht wird und aus dem bei Bedarf eine definierte Medikamentenmenge freigesetzt werden kann. Benötigt der Patient eine Dosis Insulin, nimmt er anstatt der herkömmlichen Spritze eine Tablette ein, deren Inhalt dem Medikamentendepot das Signal gibt, die richtige Menge Insulin in den Körper freizusetzen. Das Depot besteht aus einem klinisch erprobten Kunststoff, in den Sensoren aus Proteinen integriert wurden. Der Sensor erkennt die verabreichte Tablette und setzt das im Depot gespeicherte Medikament frei.

Diese neuartige Kombination aus Kunststoffen und Sensorkomponenten hat neben der Medizin noch eine Vielzahl anderer Anwendungen. So verwenden wir die sensorbestückten Kunststoffe um intelligente Ventile zu entwickeln: Sobald die Sensoren im Ventil in der durchströmenden Flüssigkeit eine bestimmte Substanz zum Beispiel ein giftiges Schwermetall erkennen, schliesst der Kunststoff automatisch das Ventil, um ein Weiterfliessen des giftigen Inhalts etwa in das Trinkwasser zu verhindern.
Diese innovativen Kunstoff-Sensor-Kombinationen werden von einem interdisziplinären Team aus Materialwissenschaftlern, Polymerchemikern und Biotechnologen entwickelt, um in Zukunft das Leben von chronischen Patienten zu erleichtern und die Sicherheit der Konsumenten zu erhöhen.

The interdisciplinary approach to design smart hydrogels is novel and highly original and pioneers new terrain in the design of smart materials. It will show a high mutual transfer potential for knowledge and technology between the various involved science disciplines and will provide prosperous dialogues between the fields.

The project has a clear contour, ranging from the proof-of-concept phase until the development of a general strategy for the construction of stimuli-sensing hydrogels. It is thus bridging the gap between fundamental research and the later development of a marketable product in a start-up company like the development of smart polymers in biomedical and process engineering applications, where they are expected to provide solutions to unmet needs like the optimal delivery of growth factors within the patient.

In dem Projekt konnten wir eine neue Generation an Hydrogelen herstellen, deren Eigenschaften sich über niedermolekulate Signalsubstanzen steuern lassen. Es konnte gezeigt werden, dass mit diesen Hydrogelen sich Biopharmazeutika in Zellkulturen und Tiermodellen auf Kommando freisetzen lassen. In Folgestudien wurden diese neu entwickelten Materialien bereits für eine optimale Funktion im Tissue Engineering weiterentwickelt.

Erik H. Christen, Maria Karlsson, Michael M. Kämpf, Ronald Schoenmakers, Raphael J. Gübeli, Hanna M. Wischhusen, Christian Friedrich, Martin Fussenegger, Wilfried Weber (2011). Conditional DNA-Protein Interactions Confer Stimulus-Sensing Properties to Biohybrid Materials. Advanced Functional Materials, 2011, XX, 1-7;
Martin Ehrbar, Ronald Schoenmakers, Erik H. Christen, Martin Fussenegger and Wilfried Weber (2008). Drug-sensing hydrogels for the inducible release of biopharmaceuticals. Nature Materials, 7, 800-804. Cover story of issue 7(10);
Erik H. Christen, Maria Karlsson, Michael M. Kaempf, Cornelia C. Weber, Martin Fussenegger and Wilfried Weber (2009). A General Strategy for the Production of Difficult-to-Express Inducer-dependent Bacterial Repressor Proteins in Escherichia coli. Protein Expression and Purification, 66, 158-164;
Michael M. Kämpf and Wilfried Weber (2010). Synthetic biology in the analysis and engineering of signaling processes. Integrative Biology, 2, 12-24. Cover story of issue 2(1);
Michael M. Kämpf, Erik H. Christen, Martin Ehrbar, Marie Daoud-El Baba, Ghislaine Charpin-El-Hamri, Martin Fussenegger and Wilfried Weber (2010). A gene therapy technology-based biomaterial for the trigger-inducible release of biopharmaceuticals in mice. Advanced Functional Materials, 20, 2534-2538;
Wilfried Weber and Martin Fussenegger (2009). The impact of synthetic biology on drug discovery. Drug Discovery Today, 14, 956-963.

Frankfurter Allgemeine Zeitung, Leben vom Reißbrett: Mit Rhythmus, Licht und Medikamentenspender, 29.09.2010;
Frankfurter Allgemeine Zeitung, Barbara-Hobom-Preis für schwedische Biologin, 29.09.2010;
BioPro, BioMedizintechnik in Baden-Würrtemberg: Die Meister der Zellschaltkreise, 08.11.2010, http://www.bio-pro.de/medtech/index.html?lang=de&artikelid=/artikel/05839/index.html;
Informationsdienst Wissenschaft, Doktoranden der bioss «Synthetic Biology» Gruppe gewinnen 2. Preis, 16.11.2009, http://idw-online.de/pages/de/news344254 http://www.bioss.uni-freiburg.de/cms/miptec-poster-award-uk.html;
Handelsblatt, Medikamentendepot ersetzt Insulinspritzen, 19.8.2008;
MedicalTribune online, Tablette soll tägliche Spritze ersetzen, 16.8.2008;
TagesAnzeiger, Tabletten für Diabetiker, 14.8.2008;
baz online, Eine Tablette statt der Spritze für Diabetiker, 14.8.2008;
20min.ch, Zürcher Forscher machen Spritze überflüssig, 13.8.2008;
Sonntag.ch, ETH mit neuem Verfahren zur Insulinaufnahme, 13.8.2008.