#Chip Happens-Podcast: Staffel 3, Folge 6 | Mit Mikroelektronik den Krebs besiegen?

Situation:

Den Krebs zu besiegen, ist eine der größten medizinischen Herausforderungen. Kaum eine Krankheit betrifft so viele Menschen direkt und indirekt, kaum eine Diagnose löst so viel Angst aus. Fast jeder zweite Mensch erkrankt im Laufe seines Lebens an Krebs, bei Männern sind es 49 Prozent, bei Frauen 43 Prozent. Hinter diesen Zahlen stehen unzählige persönliche Schicksale und damit auch eine gewaltige Aufgabe für Forschung, Medizin und Gesellschaft.

Seit Jahren wird an neuen Therapieformen gearbeitet, die wirksamer, verträglicher und präziser sind als viele der bisherigen Standardbehandlungen. Ein vielversprechender Ansatz ist die zellbasierte Krebstherapie. Dabei werden lebendige Zellen von Spendern oder aus dem Körper der Patient:innen selbst genutzt, um Krankheiten gezielt zu behandeln. Die Idee dahinter ist so einfach: Statt den Körper breit zu belasten, sollen Zellen so vorbereitet werden, dass sie krankes Gewebe genau erkennen und möglichst gezielt bekämpfen.

Gerade darin liegt eine große Hoffnung dieser Therapieform, weg von pauschalen Eingriffen, hin zu hochpräzisen und individualisierten Behandlungen.

Problemstellung:

So vielversprechend dieser Ansatz ist, so groß sind bislang noch die Hürden für den weitreichenden Einsatz. Es braucht interdisziplinäre Lösungen, in denen viele Bereiche, darunter insbesondere die Mikroelektronik, eng zusammenwirken.

Bislang ist die zellbasierte Therapie immer nur in einzelnen Fällen und noch nicht in großem Maßstab einsatzfähig. Der Grund dafür liegt vor allem in der aufwendigen Herstellung. Zunächst werden einzelne Zellen, etwa aus dem Blut, entnommen. Diese Zellen werden anschließend in spezialisierten Laboren und Reinräumen verarbeitet, wie zum Beispiel am Fraunhofer IZI, und danach wieder dem Patienten zugeführt. Dort sollen sie kranke Zellen erkennen und ersetzen. Diese Zellen können sich im Körper des Patienten weiter teilen und ihre Wirkung entfalten.

Genau dieser Prozess ist derzeit jedoch hochkomplex. Die Herstellung ist individuell auf einzelne Patientinnen und Patienten zugeschnitten. Entnahme, Laborverarbeitung und Rückgabe greifen wie Zahnräder ineinander, verlangen spezialisierte Infrastruktur und binden Laborkapazitäten. Vor allem aber kostet dieser Ablauf Zeit. In der Regel dauert es zwei bis vier Wochen, bis die aufbereiteten Zellen zurückgegeben werden können. Dazu kommen enorme Kosten von rund 300.000 bis 400.000 Euro pro Patient als Einmalgabe.

Das zeigt die zentrale Herausforderung: Die Therapie funktioniert grundsätzlich, ist bisher aber zu aufwendig, zu teuer und zu schwer skalierbar, um sehr vielen Menschen zugutekommen zu können.

Lösungsansätze / Innovationspotenziale:

Trotz dieser Hürden ist die zellbasierte Therapie längst mehr als ein Zukunftsversprechen. Sie wird bereits heute erfolgreich eingesetzt, etwa bei bestimmten Blutkrebsarten und mit verschiedenen zugelassenen Medikamenten. Damit ist klar: Das Prinzip funktioniert.

Ein besonders bekanntes Beispiel ist die Stammzellentherapie. Sie kommt unter anderem bei Leukämie oder Lymphdrüsenkrebs zum Einsatz und zählt zu den eindrucksvollsten Belegen dafür, welches Potenzial in zellbasierten Verfahren steckt. Auch bei Autoimmunerkrankungen eröffnen diese Ansätze neue Möglichkeiten.

Die eigentliche Stärke dieser Therapien liegt in ihrer Präzision. Moderne Zelltherapien arbeiten sehr viel gezielter als klassische Chemotherapien. Während herkömmliche Krebsbehandlungen oft den gesamten Organismus stark belasten, können zellbasierte Verfahren wesentlich punktgenauer ansetzen. Anders als bei klassischen Chemotherapien ist dabei nicht zwangsläufig ein kompletter Reset des Immunsystems nötig. Hinzu kommt, dass inzwischen belegt ist, dass  derzeit zugelassene Zelltherapien bei bestimmten Krebsarten nicht nur geringere Nebenwirkungen haben, sondern zugleich wirksamer sein können als klassische Chemotherapien.

Die Lösung liegt also nicht in einem einzigen technischen Durchbruch, sondern in einer neuen Therapielogik. Der Körper wird nicht mehr nur mit Medikamenten behandelt, sondern mit lebenden, gezielt eingesetzten Zellen, die selbst Teil der Therapie werden.

Weiterer Forschungs-/Entwicklungsbedarf:

Die entscheidende Frage lautet nun: Wie lässt sich dieses Potenzial aus dem hochspezialisierten Einzelfall in eine breitere Anwendung überführen?

Genau daran wird von Dr. Sandy Tretbar und den Kolleginnen und Kollegen am Fraunhofer IZI geforscht. Ein zentrales Ziel ist es, den bisherigen Ablauf grundlegend zu verändern. Künftig soll es idealerweise gar nicht mehr nötig sein, dem Patienten zunächst Zellen zu entnehmen, sie außerhalb des Körpers aufwendig aufzubereiten und anschließend zurückzugeben. Stattdessen wird an Lösungen gearbeitet, bei denen dem Körper bestimmte Bestandteile injiziert werden, etwa Lipidtröpfchen. Die Zelltherapie könnte dann direkt im Körper des Menschen entstehen. Das Prinzip erinnert an mRNA-Impfstoffe. Viele der heute noch komplexen Prozessschritte außerhalb des Körpers würden damit entfallen.

Generell kann kann Mikroelektronik in diesem Zusammengang eine Schlüsselrolle spielen. Sie kann helfen, Prozesse weiter zu miniaturisieren, zu automatisieren und präziser zu machen. Biosensoren könnten wichtige biologische Abläufe überwachen, technische Systeme könnten Herstellung und Anwendung zuverlässiger steuern. Dies kann moderne Lösungen verbessern sowie Prozesse vereinfachen, und bei gezielter Nutzung zugleich auch die Fehleranfälligkeit beim konventionellen Einsatz im Labor verringern. Ergänzend dazu kann auch Künstliche Intelligenz helfen, Prozesse robuster, stabiler und stärker automatisiert zu gestalten.

Die Perspektive reicht dabei weit über die heutige Situation hinaus. Bisher lassen sich nur etwa ein Prozent der Krebsarten mit diesen neuen Methoden behandeln. Das Ziel ist, die Anwendung schrittweise auf immer mehr Krebsarten auszuweiten. Und nicht nur das: Auch andere (Infektions-)Krankheiten könnten künftig potenziell mit Zelltherapien behandelt werden.

Wenn es gelingt, diese Verfahren einfacher, schneller und günstiger zu machen, können deutlich mehr Patientinnen und Patienten Zugang zu modernen Therapien erhalten. Dann wäre der Weg frei für einen medizinischen Fortschritt, der heute noch visionär klingt, aber zunehmend greifbar wird: Krebs nicht nur besser zu behandeln, sondern ihm eines Tages in großem Maßstab etwas entgegensetzen zu können.

Situation:

Auch Prof. Karsten Seidel arbeitet an der Frage, wie zellbasierte Therapien künftig breiter, schneller und zuverlässiger verfügbar gemacht werden können. Denn so groß ihr medizinisches Potenzial auch ist, in der praktischen Herstellung sind diese Verfahren bislang noch extrem aufwendig.

Noch immer werden viele der entscheidenden Schritte zur Aufbereitung und Modifikation von Zellen in spezialisierten Laboren und Reinräumen durchgeführt. Dort müssen Zellen entnommen, analysiert, verarbeitet, überwacht und schließlich für die Therapie vorbereitet werden. Dieser Ablauf ist hochkomplex und verlangt präzise Kontrolle. Genau deshalb ist die Herstellung bislang stark an spezialisierte Umgebungen gebunden.

Problemstellung:

Darin liegt einer der entscheidenden Engpässe moderner Zelltherapien. Solange die Prozesse so aufwendig, teuer und personalintensiv bleiben, können diese Behandlungen nur einer begrenzten Zahl von Patientinnen und Patienten angeboten werden. Gleichzeitig bleibt dadurch auch die Zahl der Krankheiten eingeschränkt, für die solche Therapien überhaupt realistisch verfügbar gemacht werden können, sei es bei Krebs oder anderen Erkrankungen.

Die Herausforderung ist also nicht allein medizinischer Natur. Sie ist auch eine Frage von Produktion, Standardisierung und Skalierung. Anders gesagt: Eine Therapie kann noch so wirksam sein, wenn sie sich nur mit enormem Aufwand herstellen lässt, wird sie niemals in der Breite ankommen.

Lösungsansätze / Innovationspotenziale:

Genau hier kommt Mikroelektronik ins Spiel. Sie kann helfen, die bislang aufwendigen Laborprozesse zu automatisieren und in kleine, geschlossene Systeme zu überführen, etwa in kompakte Kassetten oder Mini-Labore. Was heute noch viele manuelle Schritte, große Infrastruktur und spezialisierte Umgebungen erfordert, soll künftig in einem deutlich kleineren, standardisierten und automatisierten Maßstab ablaufen.

Die Grundidee ist, komplexe Herstellungsprozesse in technische Systeme zu verlagern, die einzelne Schritte selbstständig überwachen, steuern und zusammenführen können. Spezifische Sensoren erfassen dabei in Echtzeit, was im Prozess passiert. Sie messen relevante Parameter, überwachen Abläufe und sorgen dafür, dass Zellen unter kontrollierten Bedingungen verarbeitet werden. Gleichzeitig können Prozessparameter flexibel angepasst werden, um möglichst schnell und zuverlässig genau die modifizierte Zelle zu erhalten, die therapeutisch benötigt wird.

Ein besonders spannender Bereich ist dabei die optische Analyse von Zellen. Hierfür wird bereits an miniaturisierten optischen Sensoren gearbeitet, die zentrale Zellparameter direkt erfassen können, etwa Zellzahl, Durchfluss oder Zellviabilität (beschreibt, wie viele Zellen in einer Probe leben und funktionsfähig sind).

Um solche Informationen zu gewinnen, werden Zellen optisch vermessen. Dabei kommen hochsensitive, schnell arbeitende Sensoren zum Einsatz, die selbst in miniaturisierter Form verlässliche Ergebnisse liefern. Dabei werden auch sogenannte Einzelphotonen-Detektoren eingesetzt. Diese Systeme können einzelne Lichtteilchen erfassen und fluoreszenzmarkierte Zellen analysieren. Auf diese Weise lassen sich wichtige Rückschlüsse auf die Qualität der Zellen ziehen. Das Entscheidende daran: Diese Art der Detektion ist nicht bloß Theorie, sie funktioniert grundsätzlich bereits.

Die Innovation liegt also darin, mikroelektronische Systeme so einzusetzen, dass sie aus einem hochkomplexen, schwer skalierbaren Laborprozess einen deutlich kontrollierteren, automatisierbaren und langfristig breiter nutzbaren Herstellungsweg machen.

Weiterer Forschungs-/Entwicklungsbedarf:

Der nächste große Schritt besteht nun darin, diese technologischen Ansätze in die breite Anwendung zu überführen. Konkret heißt das: Es müssen konkrete Lösungen, wie die zuvor erwähnten modularen Kassetten entwickelt werden, die die komplexen Prozesse bei der Herstellung therapeutisch nutzbarer Zellen kostengünstig, automatisiert und flexibel abbilden können. Ziel ist es, die heute üblichen hohen Labor- und Reinraumkosten somit deutlich zu senken und gleichzeitig Systeme zu schaffen, die so anpassungsfähig sind, dass sich mit ihnen verschiedenste Therapieformen realisieren lassen.

Parallel dazu geht die Entwicklung miniaturisierter Sensorik weiter. Die Messung von Zellzahl, Durchfluss und Zellviabilität muss nicht nur technisch funktionieren, sondern robust, schnell und zuverlässig in komplette Prozesssysteme integriert werden. Genau darin liegt eine der zentralen Aufgaben der nächsten Zeit. Denn aus einzelnen technologischen Lösungen müssen praxistaugliche Gesamtsysteme werden.

Schon heute ist klar, welches Potenzial in diesen Verfahren steckt. Zellbasierte Therapien und ihre Weiterentwicklungen könnten die Medizin grundlegend verändern. Sie versprechen Behandlungen, die einfacher, schneller und günstiger werden und damit weit mehr Menschen erreichen. Das macht sie schon jetzt zu einem echten Gamechanger.