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Der Doktor und das liebe Vieh

Leben
Der Doktor und das liebe Vieh

(Bild: Shutterstock)

Jeffrey Karp ist einer der erfolgreichsten Köpfe auf dem Feld der Bionik. Quallen, Geckos und Stachelschweine liefern ihm Ideen, die Krebspatienten und Frühgeborenen helfen können.

Die Natur ist für Jeffrey Karp das größte Ingenieurlabor der Welt. Überall sieht er Ideen für neue Medizinprodukte. Auch das Bostoner Aquarium hat schon eine Inspiration beschert: Beim Anblick von Löwenmaulquallen, die ihre Beute mit langen Tentakeln fangen, kam einem seiner Studenten die Idee, wie sich Krebszellen schneller und genauer aufspüren lassen könnten: Er baute flexible DNA-Fangarme, um damit Krebszellen aus Blutproben zu fischen. Normalerweise geschieht dies mit Antikörpern, doch die sitzen am Boden einer Kammer und erwischen nur jene Zellen, die nah genug vorbeischwimmen.

Karp ist Ingenieur für Chemie und Biomedizin am Brigham and Women's Hospital in Boston und einer der produktivsten Köpfe auf dem Feld der Bionik, die Biologie und Technik miteinander kombiniert. Bereits zwei Bionik-Ausgründungen – Gecko Biomedical und Landsdowne Labs – gehen auf das Konto des Forschungsgruppenleiters, dazu vier weitere Spin-offs in der regenerativen Medizin und Materialentwicklung sowie zahlreiche Veröffentlichungen und Patente. Gerade wurde er darüber hinaus mit nur 42 Jahren zum Professor an der Harvard Medical School ernannt.

TR 04/2018

Dieser Beitrag stammt aus Ausgabe 04/2018 der Technology Review. Das Heft ist ab 22.03.2018 im Handel sowie direkt im heise shop erhältlich. Highlights aus dem Heft:

Ursprünglich wollte der gebürtige Kanadier nach dem Chemieingenieurstudium auch noch Medizin studieren. Als das nicht klappte, spezialisierte er sich auf biomedizinische Anwendungen. "Ich wollte schon als Student neue Therapien entwickeln. Das fühlte sich einfach wie meine Berufung an", sagt Karp.

Gewebeflaster wie Geckofüße

Seine erste bioinspirierte Erfindung war ein Gewebepflaster nach dem Vorbild von Geckofüßen. Sie besitzen Tausende winziger Härchen, um die Kontaktfläche zu erhöhen. Damit das auch auf feuchten Organen funktioniert, hat Karps Team die Pflasterhärchen zusätzlich mit einem biologischen Kleber überzogen. Das Projekt interessierte auch den Herzchirurgen Pedro del Nido vom Boston Children's Hospital, der Karp deswegen 2009 kontaktierte. Der Mediziner hoffte, dass sich mit diesen Bionik-Pflastern die Löcher in der Herzscheidewand von Kindern schonend verschließen ließen. Werden solche Öffnungen genäht, reißt das zarte Herzgewebe oft ein. Karps Pflaster hätte den Belastungen eines schlagenden Kinderherzens allerdings nicht standgehalten. Die Lösung brachte eine akribische Recherche in der Wissenschaftsliteratur.

Unterwassertiere wie der Sandburgenwurm produzieren klebrige Sekrete, die wasserabweisend sind und unter Wasser aushärten. Der Wurm benutzt die Absonderung quasi als Mörtel, um Steinchen für ein Gehäuse zusammenzukleben. Nach diesem Vorbild entwickelte Karps Labor einen neuen Kleber. Eine entscheidende Stellschraube war die richtige Viskosität. Erst sie ermöglicht es dem Kleber, alle winzigen Gewebespalten auszufüllen und sich beim Aushärten ähnlich wie Efeuranken in Mauerrissen festzuhalten. Darüber hinaus modifizierten die Forscher den Kleber so, dass er erst unter der Bestrahlung mit einer Lampe aushärtet. Das lässt Chirurgen genügend Zeit für ein sorgfältiges Aufbringen.

Eines Tages soll der Gewebekleber aus bioabbaubarem Polymer kleinen Patienten mit angeborenen Herzfehlern helfen. Zunächst aber wird das "Setalum Sealant" genannte Präparat zum Abdichten genähter Gefäßrisse dienen, die oft noch Blut verlieren. Für die letzten Entwicklungsschritte hat Karp gemeinsam mit Robert Langer vom Massachusetts Institute of Technology 2013 das Start-up Gecko Biomedical gegründet. Kürzlich hat der Kleber in einer Studie mit 22 Teilnehmern seine Tauglichkeit bewiesen. Noch dieses Jahr könnte er auf den Markt kommen.

Schonendere Behandlung von Babys

Durch den engen Kontakt zu Medizinern erfuhr Karp von einem weiteren dringenden Bedarf: schonendere Klebestreifen für Frühchen. Weil den Babys oft noch die oberste Hautschicht fehlt, führt das Abziehen herkömmlicher Streifen, mit denen Apparate und Sonden fixiert werden, häufig zu schmerzhaften Verletzungen. Diesmal ließ sich Karp von der unbelebten Natur inspirieren: von in Schichten angeordneten Mineralien (Glimmer). Gemäß dem Vorbild fügte Karp zwischen Trägermaterial und Klebeschicht eine Lage Silikon ein, die sich beim Abziehen leicht vom Kleber trennt. Der Leim verbleibt auf der Haut, bis er sich mit der Zeit schmerzfrei ablöst. Karps jüngstes Start-up Landsdowne Labs soll das Produkt fertig entwickeln.

Wer Karp an diesem Tag trifft, ahnt vermutlich nicht, dass er einen Universitätsprofessor mit großem Forschungslabor und obendrein den Erfinder vieler medizinischer Innovationen vor sich hat. Für seinen Ausflug ins Aquarium ist er vom Kapuzenpulli bis zu den Sportschuhen leger in Schwarz gekleidet und trägt einen Dreitagebart. Trotz des kalten Neuengland-Wetters ist Karp einen Großteil des Weges gelaufen. Zehntausend Schritte will er jeden Tag gehen und nutzt Telefonate deshalb oft für einen Spaziergang. So wie seine Füße sind auch seine Gedanken ständig in Bewegung. Sie klopfen alles, was er sieht, darauf ab, ob es nützlich ist. Er hat eine Begabung dafür, Zusammenhänge zwischen unterschiedlichen Fachgebieten zu erkennen und neue Erkenntnisse aus Altbekanntem zu ziehen.

Manchmal fallen Karp die natürlichen Vorbilder dabei einfach in den Schoß. Als ein Student Stachelschwein-Stacheln von einer Reise mitbrachte, entdeckte Karp an ihrer Spitze winzige Widerhaken mit Sägezähnen. Der Wissenschaftler fragte sich, ob sich die Struktur für schonendere Wundklammern eignen würde. Um das herauszufinden, zögerte er nicht lange: Er stach sich kurzerhand einen Stachel ins Kinn. Der Stachel glitt durch die Haut wie durch Butter, das Loch war exakt so groß wie der Stachel. Herkömmliche Klammern dagegen quetschen das Gewebe beim Einführen und hinterlassen ein größeres Loch, durch das Keime eindringen können. Deshalb möchte Karp gern eine biologisch abbaubare Klammer mit Stachelschwein-Spitze entwickeln. Allerdings gibt es für diese feine Größenordnung bisher keine Herstellungstechnologie. "Die nächste Generation von 3D-Druckern könnte das vielleicht schaffen", hofft Karp. "Wir müssen also warten, bis das verfügbar ist."

Entscheidende Erkenntnis

Das ist eine entscheidende Erkenntnis der Bionik: Die Natur lässt sich nicht eins zu eins kopieren. Man kann ihr aber Wirkmechanismen und Strukturen "klauen", wie Karp es augenzwinkernd nennt. Die große Schwierigkeit ist dann, die geeigneten Materialien und Herstellungsmethoden zu entwickeln, um das Prinzip für Menschen nutz-bar zu machen. Viele Forschungsprojekte versanden daher, nachdem die ersten spannenden Ergebnisse veröffentlicht wurden. Entweder wird nicht genug in die technische Umsetzung investiert, oder die Industrie zeigt kein Interesse.

Karp beschloss daher früh, nur Projekte anzupacken, für die sowohl Bedarf als auch gute Marktchancen bestehen. Der Risikokapitalgeber Carmichael Roberts, ein befreundeter Kollege von Karp, hatte ihm zeitig zu Gründungsmut geraten: "Er sagte: Jeff, du arbeitest an so vielen Projekten gleichzeitig. Wenn sich eine Gelegenheit bietet, etwas Vielversprechendes voranzubringen, denk nicht zu viel darüber nach. Tu es einfach. Sonst verirrst du dich in den Einzelheiten."

Er selbst jedoch lehnt es ab, mit seinen Erfindungen in die Wirtschaft zu wechseln. Ihm genügt die Beraterfunktion. "Sich auf ein Projekt zu beschränken, das ist nichts für ihn", berichtet Karps früherer Laborchef Langer. "So konnte er sich in vielen Gebieten gleichzeitig hervortun – wie in der Stammzellforschung und der zielgerichteten Wirkstofffreisetzung."

Verätzungen verhindern

Wäre Karps Entscheidung anders ausgefallen, hätte er mit seinem Team wohl nie eine Spezialbeschichtung für Knopfbatterien entwickelt. "In den USA müssen jedes Jahr bis zu 4000 Kleinkinder wegen verschluckter Batterien in die Notaufnahme, Dutzende sterben sogar", sagt Karp. Sein Überzug verhindert das Verätzen der Speiseröhre, wo die Batterien häufig stecken bleiben. Die Beschichtung erkennt sozusagen, wann sie isolieren muss. Steht sie in einem Batteriefach unter Druck, leitet sie. Fehlt dieser Druck, isoliert sie.

Karp braucht die kreative Atmosphäre seines Forschungslabors für solche Projekte. Er ist überzeugt, dass ein Team besonders produktiv arbeitet, wenn die Mitarbeiter aus möglichst vielen verschiedenen Bereichen kommen und die Hierarchie möglichst flach ist: "Ich finde, man sollte sein Ego an der Tür zurücklassen. Schüler oder Masterstudenten können genauso prima Ideen haben wie jeder andere auch." Jeder, der in seinem Labor anfängt, erhält dasselbe Versprechen: "Ich werde lebenslang dein Mentor sein."

Nach der wichtigsten Eigenschaft gefragt, die er Studenten und Jungforschern vermitteln wolle, antwortet Karp ohne zu zögern: "Wissenschaftliche Zuversicht." Natürlich müsse der Nachwuchs lernen, wie man ein Experiment eigenständig plant und durchführt. Noch wichtiger aber sei es zu wissen, wie man mit Fehlschlägen umgeht: Dann müssten die Jungwissenschaftler das Selbstvertrauen besitzen, es selbst noch mal zu versuchen. Wenn nötig, immer wieder. "Man muss einen Schritt zurücktreten und es von allen Seiten betrachten. Vielleicht mit den Kollegen reden oder jemanden finden, der eine andere Methode für das Problem kennt", sagt Karp. Meist funktionierten die Ansätze erst beim "dritten, vierten oder fünften Versuch", fügt er lachend hinzu. Seine Karriere ist der beste Beweis, dass es aller linearen Planung zum Trotz meist doch ganz anders läuft.


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