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Die Zukunft der Medizin: Zu Besuch bei Dr. Robocop

Per Software lernt die von Max Ortiz Catalan entwickelte Prothese ständig dazu. Ihre Bewegungen werden mit der Zeit flüssiger, sie wird trainiert.
Per Software lernt die von Max Ortiz Catalan entwickelte Prothese ständig dazu. Ihre Bewegungen werden mit der Zeit flüssiger, sie wird trainiert. (©Oscar Mattsson 2017)

Die medizinische Forschung probt schon heute Techniken, die wie Szenarien aus einem Science-Fiction-Film wirken. Sie sollen Krebsbekämpfung präziser und Prothesen intuitiver machen. Zwei Laborbesuche in Stuttgart und Göteborg.

Die Innenstadt von Stuttgart liegt 20 Taximinuten entfernt, das funktionale Gebäude bietet wenig Raum für Ablenkung, und vielleicht ist das ganz gut, denn im zweiten Stock sitzt Peer Fischer, 44, und kümmert sich um die Zukunft. Fischer ist Professor für Physikalische Chemie an der Universität Stuttgart und Leiter der Forschungsgruppe "Mikro-, Nano- und Molekulare Systeme" am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme.

Roboter aus Stuttgart, die kleiner sind als menschliche Zellen

Er hat in Cambridge studiert, in Harvard geforscht und im letzten Jahr den "World Technology Award" erhalten, eine Auszeichnung, die auch Elon Musk und Julian Assange schon gewonnen haben. Mit ihr werden "innovative Arbeiten mit höchstwahrscheinlich langfristiger Bedeutung" für die Menschheit ausgezeichnet. Die Kategorie, in der Fischer gewann: "IT Hardware". Der Mittvierziger baut Roboter, die kleiner sind als menschliche Zellen.

"Roboter … mhh", macht Fischer. Sein Schreibtisch sieht so aus, wie man sich Schreibtische von Forschern vorstellt: Papiere stapeln sich, Bücher liegen herum, benutzte Kaffeetassen, und an dem an der Wand hängenden Whiteboard ist vor lauter Formeln das Weiße nicht mehr zu erkennen. Er sagt: "Na ja." Nicht mal in der Robotik sei klar definiert, was das sei, ein Roboter. "Mit Transformers und R2-D2 hat es jedenfalls nichts zu tun."

Zielgenaue Verteilung von Wirkstoffen über Nanoroboter

100 Nanometer groß sind seine Maschinen, 0,1 Mikrometer, ein menschliches Haar ist etwa 70 Mikrometer dick. "Wir müssen was bauen, das nur ein Punkt auf einem Bakterium ist", sagt er. Alles andere sei einfach zu groß, um durch die Moleküle zu kommen. "Die Substanzen sind ja gemacht, um kleinste Eindringlinge abzuwehren", sagt er. Die Substanzen: vor allem Schleime aller Art. Nur wenn man die durchdringe, könne die "Materialbearbeitung" stattfinden.

Was klingt wie bei einem Schlosser meint: Während Pillen sich über den Magen im ganzen Körper verteilen und bei Injektionen nur ein Teil des Wirkstoffs ans gewünschte Ziel gelangt, sollen Nanoroboter den Wirkstoff zielgenau verteilen, um Krankheiten an Ort und Stelle zu bekämpfen. Metallische Nanopartikel könnten so etwa direkt in eine Tumorzelle gebracht und mithilfe elektromagnetischer Wechselfelder erhitzt werden. Da Tumorzellen bei hohen Temperaturen absterben, könnten Krebszellen so getötet werden. Im Labor funktioniert das bereits.

Mikrobots gegen verstopfte Arterien?

Dabei sind die Stuttgarter nicht die Einzigen, die im Schrumpfen große Möglichkeiten erkennen. Der kleinste voll autonome Computer der Welt, der Michigan Micro Mote, ist mit einem halben Zentimeter gerade mal so winzig wie die Spitze einer Bleistiftmine. Er könnte etwa in einem Tumor überwachen, wie die Chemotherapie anschlägt, oder den Augeninnendruck überprüfen.

In Zürich experimentiert die Technische Hochschule mit Mikrobots, die verstopfte Arterien befreien und Schlaganfälle verhindern könnten. Und das Google X Lab in Mountain View verspricht sich von magnetischen Nanopartikeln, dass sie auf der Suche nach verdächtigen Zellen und Proteinen durch den Blutkreislauf wandern und so Krankheiten entdecken, bevor sie ausbrechen.

Antrieb: Blut ist dicker als Wasser: Viele Körperflüssigkeiten werden durch Widerstand zäher. Roboter – oder Mini-Raumschiffe wie in der Zeichentrickserie "Es war einmal … das Leben" von 1986 – brauchen daher besondere Antriebskräfte, um sie zu durchqueren. fullscreen
Antrieb: Blut ist dicker als Wasser: Viele Körperflüssigkeiten werden durch Widerstand zäher. Roboter – oder Mini-Raumschiffe wie in der Zeichentrickserie "Es war einmal … das Leben" von 1986 – brauchen daher besondere Antriebskräfte, um sie zu durchqueren. (©PROCIDIS 2017)
Nano-U-Boot: Solch eine winzige Schraube versehen die Stuttgarter Forscher mit Magneten. Durch ein Magnetfeld kommt sie in Drehung und schraubt sich durch die per Enzym verflüssigte Magenschleimhaut, hier als schwarze Fäden dargestellt. fullscreen
Nano-U-Boot: Solch eine winzige Schraube versehen die Stuttgarter Forscher mit Magneten. Durch ein Magnetfeld kommt sie in Drehung und schraubt sich durch die per Enzym verflüssigte Magenschleimhaut, hier als schwarze Fäden dargestellt. (©wardsdesign.com 2017)
An ins Ich: Im Film "Die phantastische Reise" von 1966 werden die Protagonisten im OP geschrumpft, um den menschlichen Körper bereisen zu können. fullscreen
An ins Ich: Im Film "Die phantastische Reise" von 1966 werden die Protagonisten im OP geschrumpft, um den menschlichen Körper bereisen zu können. (©United Archives GmbH / Alamy Stock Photo 2017)
Mikrodiagnostik: In Zukunft könnten Nanobots verstopfte Arterien befreien oder gleich im Herzen nach dem Rechten sehen. fullscreen
Mikrodiagnostik: In Zukunft könnten Nanobots verstopfte Arterien befreien oder gleich im Herzen nach dem Rechten sehen. (©Photo 12 / Alamy Stock Photo 2017)

Eine Flotte von Robotern entsteht

Aber Fischers Team führt den Wettlauf an. Er sagt: "Das gibt es sonst nirgends." Hergestellt werden die Roboter ein paar Räume weiter in einer grauen Kiste mit einem Fenster, Vakuumkammer, etwa so groß wie ein kleiner Kühlschrank, viele lange Rohre, noch mehr Kabel, Stickstoff. Daneben ein Rechner, diverse Regale, darauf alle Arten von Metall in kleinster Form. Denn die Nanoroboter werden weder geschweißt noch geschraubt oder geklebt, sondern aus dem Dampf der Komponenten gefertigt, aus denen sie letztlich bestehen sollen.

Dabei wird eine gekühlte und drehbare Scheibe in der Kammer platziert und schräg in den Strom eines Metalldampfes gestellt. Dessen Atome setzen sich auf Nanopartikeln ab, die zuvor auf der Scheibe platziert wurden: Auf dem Träger wachsen Stäbchen. Bewegt man die Scheibe während des Aufdampfens, verändert sich auch die Struktur des Stäbchens, es wird zur Helix oder Schraube.

Und wenn zwischendurch das Ausgangsmaterial geändert wird, anderes Metall, magnetisch, dann ändert sich auch der Aufbau der Nanostruktur. Das Verfahren dauert nur wenige Stunden, und statt eines einzigen Roboters entstehen ein paar mehr: pro Quadratzentimeter Scheibe eine Milliarde. Eine Flotte. Die muss ohne Steuermann zum Ziel navigieren.

Antrieb und Steuerung über Magnetfeld

Bisher können sich kleine Objekte nur passiv im Körper bewegen, etwa mit dem Blutstrom. Das ist bereits heute Standard in der Pharmakologie, nützt aber nichts, wenn ein Ziel bewusst angesteuert werden soll. Deswegen können die Nanobots mit einem Magnetfeld angetrieben und gesteuert werden. Eine weitere Herausforderung: Die meisten biologischen Flüssigkeiten verändern ihren Widerstand.

Je größer die Belastung, etwa durch die Geschwindigkeit eines Objektes, desto zäher wird das Blut. Gelöst haben die Wissenschaftler das Problem durch die Konstruktion einer Muschel. Ihre zwei Silikon-Polymer-Schalen, verbunden durch ein Drehgelenk, schließen und öffnen unterschiedlich schnell. Auf ein schnelles Zuklappen erfolgt ein langsames Aufklappen. Die Muschel bewegt sich so zuerst ein großes Stück vorwärts, bei der zweiten Bewegung aber nur ein kleines Stück zurück, sodass sie insgesamt vorankommt.

"Ist eine sinnvolle Technologie", sagt Fischer und freut sich über die Untertreibung. Und wann sind die Nanoroboter im klinischen Alltag einsetzbar? Er lehnt sich in seinem Stuhl zurück. Er sagt: "Hier funktioniert es wunderbar." Und Interesse der Industrie bestehe auch, daran werde es nicht liegen, aber selbst, wenn es schnell gehe: Medizinische Tests dauern Jahre. Schließlich sagt er: "Sagst du zehn Jahre, denken alle, es kommt sofort. Sagst du 20 Jahre, denken alle, es kommt nie." Fischer zuckt mit den Schultern. Man kann die Zeit nutzen: das System besser machen. Er sagt: "Uns wird hier nicht langweilig werden."

Punktlandung: Kleinen Transportern gleich sollen die Nanoroboter Medikamente direkt zu der erkrankten Stelle im Körper transportieren. fullscreen
Punktlandung: Kleinen Transportern gleich sollen die Nanoroboter Medikamente direkt zu der erkrankten Stelle im Körper transportieren. (©United Archives GmbH / Alamy Stock Photo 2017)
Minimalismus: Die Idee, kleiner zu werden und dadurch mehr Platz zu haben, geht auf einen Vortrag zurück, der bereits 1959 gehalten wurde. fullscreen
Minimalismus: Die Idee, kleiner zu werden und dadurch mehr Platz zu haben, geht auf einen Vortrag zurück, der bereits 1959 gehalten wurde. (©Photo 12 / Alamy Stock Photo 2017)
Der Titel: "There is Plenty of Room at the Bottom". fullscreen
Der Titel: "There is Plenty of Room at the Bottom". (©United Archives GmbH / Alamy Stock Photo 2017)

Ortswechsel: Zu Besuch in Göteborg bei Dr. Robocop

Natürlich kennt Max Ortiz Catalan Ray Kurzweil. Kurzweil ist Chefingenieur von Google. Er ist der bekannteste Vordenker des Transhumanismus und begreift den Menschen als System aus Soft- und Hardware, komplex zwar, aber optimierbar. Die anstehende biotechnologische Revolution, sagt Kurzweil, werde der Menschheit zur Unsterblichkeit verhelfen, dazu werde er stark, superintelligent und gottähnlich.

2045 soll es so weit sein. Max Ortiz Catalan hat einen Arm entwickelt, der Kurzweils Beifall finden würde. Er lächelt. Manchmal, sagt er, bekommt er tatsächlich Post von Menschen, die ihm vorschlagen, ihre gesunden Arme zu amputieren. Die sich zwei Kunstarme wünschen. Die Iron Man sein wollen. "Einmal hat mir eine Frau geschrieben, die wollte, dass ich ihr einen neuen Körper baue." Geld, sagt er, habe keine Rolle gespielt, sie wollte einfach aus Metall und Kunststoff sein und dann das Gehirn hochladen, da werde er schon einen Weg finden. "Nein", sagt er, "das ist keine gute Idee."

Abnehmbare Armprothese schließt direkt an Muskeln an

Catalan, Mexikaner, Universität Göteborg, hat eine Armprothese entwickelt, die zwar abnehmbar ist, deren Interface aber eben auch im Knochen des Oberarms verankert ist und dabei im Inneren des Arms über implantierte Elektroden und im Labor gezüchtete Nerven direkt an Muskeln und Nerven anschließt. Das Gehirn sendet Nervensignale über das Implantat an die Prothese weiter, wo die Signale dann decodiert und in Bewegungen übersetzt werden. Umgekehrt empfängt es Rückmeldungen über Druck und Position, Spannung und Kraft. "It's the only system in the world", sagt er.

Er steht von seinem Schreibtisch auf, geht zu einer Tafel und malt mit schwungvollen Kreisen den Schnitt durch einen Oberarm. "Hier, hier und hier", sagt er. Er macht Punkte, die die Nerven zeigen sollen, und zeigt, wo der Chip sitzt, der die elektrischen Signale unterscheidet. Irgendwann sind es so viele eingezeichnete Nerven, dass die Zeichnung unübersichtlich wird. Was klingt wie "Blade Runner", nämlich die Verschmelzung von Mensch und Maschine, ist in kleinerem Maßstab schon länger Alltag: Die Osseointegration ist ein Begriff aus der Kieferchirurgie und beschreibt den Zustand, in dem ein Implantat erfolgreich in ein biologisches System integriert wurde.

Künstlicher Arme steuerbar durch Gedanken

Tatsächlich ist der künstliche Arm direkt mit lebendem Knochen und Gewebe verbunden. Eine engere Integration von Biologie und Mechatronik gibt es nicht. Für Patienten bedeutet das: Die Prothese ist steuerbar durch Gedanken. Zudem ist sie beweglicher, empfindlicher und einfach zu handhaben. Konkret: Schuhe binden, mit Weingläsern hantieren, Eier in den Kühlschrank räumen, Geschirr abspülen, das geht alles. Auto fahren, Dinge hochheben, Kram transportieren sowieso.

"In manchen Dingen ist die Prothese überlegen", sagt Catalan. Zum Beispiel, wenn man Wände einschlagen will oder Metall zerdrücken. Dennoch, sagt er, sei es eben kein richtiger Arm. Man kann mit ihm schlafen, aber nicht duschen, ihn 24 Stunden tragen, sieben Tage lang, aber die Finger noch nicht bewegen wie echte Finger. Catalan sagt aber auch: "Alles eine Frage der Zeit."

Bereits jetzt kann die Hand der Schweden theoretisch mit jeder anderen Maschine interagieren – Wi-Fi und Digitalisierung sei Dank. "Man kann sein Auto damit starten oder das Licht im Wohnzimmer anmachen", sagt Catalan. "Wenn man es programmiert." Im Labor ruht die Hand hinter einer Scheibe auf einem Podest, zwei Rechner sind angeschlossen, Dutzende Kabel liegen herum. Skynet aus den "Terminator"-Filmen kommen einem in den Sinn, Catalan lacht.

Grenzenlose Möglichkeiten

Eine Assistentin klebt Elektroden an ihren Unterarm. Sie zeichnen die Signale auf, die die Nerven und Muskeln senden, wenn bestimmte Bewegungen ausgeführt werden. Die Hand hinter der Scheibe vollzieht die Bewegungen der Assistentin nach: Ballt sie die Faust, tut das auch die Prothese. Die Hand wird so trainiert, die Software sorgt dafür, dass sie ständig dazulernt. Catalan lächelt mit Vaterstolz.

Auch wenn der Versuch in der Echtwelt gut läuft: Magnus – obwohl sein Nachname nie genannt wird, ist er mittlerweile trotzdem berühmt –, Lkw-Fahrer aus Nordschweden, ist der bisher einzige Patient, der einen solchen Arm trägt. Seit 2013 trägt er ein Vorläufermodell, das im laufenden Betrieb ständige Updates bekommt, und ist damit der Star in seiner Stadt: Seine Kinder nennen ihn Robocop. Obwohl noch immer überwacht, kann man jetzt schon sagen, dass der Verlauf ein Erfolg ist. Und wann ist es so weit, dass mehr Menschen von der sensitiven Prothese profitieren können? "In fünf Jahren", sagt Catalan, "vielleicht in zehn." Dann habe man eine markttaugliche Prothese. Er sagt: "Und dann sind die Möglichkeiten grenzenlos."

Diese und weitere Geschichten findest Du auch in der aktuellen Ausgabe des TURN ON Magazins 05/17, das in allen SATURN Märkten kostenlos ausliegt.

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