Arbeitsgruppe Biopharmazeutische Technologie

Die Arbeitsgruppe Biopharmazeutische Technologie (AG BPT) unter Leitung von Prof. Dr. Runkel und Dr. Schmidts verfügt über ein hohes Maß an Expertise und langjähriges Know-how im Bereich der Entwicklung [BPT2], Charakterisierung und Testung von Arzneistoffformulierungen [BPT3, 4] angepasst auf die Bedürfnisse von Patienten bzw. des Wirkstoffs.

Des Weiteren besitzt die AG umfangreiche Erfahrungen in der präklinischen Testung, d.h. Untersuchungen zur Pharmakodynamik und -kinetik von Wirkstoffen und deren Arzneiformen (dermal, ungual, rektal, peroral).

Ein weiterer Fokus der AG BPT liegt auf der Entwicklung von patientenorientierten Lösungen bzw. von auf das Krankheitsbild abgestimmten Arzneiformen. Hierfür sei beispielhaft das aktuelle BMWi/ZIM-Projekt IBD-DNAzym [FuE-BPT1] genannt, sowie ein Projekt, bei dem mittels 3D-Druckverfahren ein Trägersystem für die Zelltherapie bei Diabetes mellitus entwickelt werden soll. Die Insulin-produzierenden Zellen werden dazu in einem speziell entwickelten Hydrogel immobilisiert und sekretieren bedarfsgerecht das Hormon Insulin [BPT-1].

• [BPT1]
  A Pössl, P Schlupp, T Schmidts, F Runkel (2018)  3D-printed drug delivery systems for cell therapy: A new approach for the treatment of Diabetes Mellitus Dechema 3D Cell Culture 2018, Freiburg (Germany), 05-07 June 2018 [Conference Poster]
• [BPT2]
  Marquardt K, Eicher A C, Dobler D, Höfer F, Schmidts T, Schäfer J, Renz H, Runkel F.  Degradation and protection of DNAzymes on human skin. Eur. J. Pharmaceutics and Biopharmaceutics 107 (2016): 80-87
• [BPT2]
  Eisenhardt M, Dobler D, Schlupp P, Schmidts T, Salzig M, Vilcinskas A, Salzig D, Czermak P, Keusgen M, Runkel F. Development of an insect metalloproteinase inhibitor (IMPI) drug carrier system for application in chronic wound infections. J. Pharm. Pharmacol. 67 (2015)  1481-1491
• [BPT3]
  Schlupp P, Weber M, Schmidts T, Geiger K, Runkel F. Development and validation of an alternative disturbed skin model by mechanical abrasion to study drug penetration. Res. Pharm. Sc. 4 (2014) 26-33
• [FuE-BPT1]:
  IBD-DNAzym. Entwicklung (Proof of Principle) eines neuen Arzneimittels bei chronisch entzündlichen Darmerkrankungen, BMWi-ZIM, FKZ: ZF4223801MD6, Förderung THM: 125.900 €, 2016–2018

Arbeitsgruppe Medizinische Physik in der Radiologie

In der Arbeitsgruppe RAD von Prof. Dr. Fiebich wird an Fragestellungen der mit Röntgenstrahlung arbeitenden bildgebenden Verfahren (vor allem Computertomographie und Mammographie) in der Medizin gearbeitet. Dabei steht insbesondere die Fragestellung der Optimierung von Röntgenuntersuchungen bezüglich Bildqualität und Strahlenexposition des Patienten im Vordergrund [FB1, FB2]. Dazu werden neben Dosismessungen und Dosisabschätzungen am Patienten auch Messungen zur Ermittlung von Dosis und Bildqualität an technischen Phantomen und mittels Monte Carlo-Verfahren durchgeführt.

Die Dosismessungen werden in der Regel mit klinischen Partnern, wie z. B. den Universitätskliniken Gießen-Marburg oder der TU München, durchgeführt. Im Rahmen der Messung technischer Bildqualitätsparameter entstehen Prototypen für Prüfkörper, die mittels 3D-Druckverfahren hergestellt werden. Diese Prüfkörper und zugehörige Auswerteverfahren fließen in die Normung des Arbeitsausschusses AA6 „Bildgebende System in der Medizin“ (Obmann: Prof. Dr. Fiebich), wie z. B. in die DIN 6868-150 ein. Im Rahmen des internationalen Projektes CLUES [FuE-RAD1] wurde bereits ein erster prototypischer dreidimensionaler anthropomorpher Prüfkörper für die Mammographie entwickelt, wie er in Zukunft zur Bestimmung von Bildqualitätsparametern eingesetzt werden soll.

• [FB1]
  Bohrer E, Schäfer S, Mäder U, Noël PB, Krombach GA, Fiebich M. Optimizing radiation exposure for CT localizer radiographs. Z. Med. Phys. (2016) DOI: 10.1016/j.zemedi.2016.09.004
• [FB2]
  Nasirudin RA, Mei K, Penchev P, Fehringer A, Pfeiffer F, Rummeny EJ, Fiebich M, Noël PB. Reduction of Metal Artifact in Single Photon Counting Computed Tomography by Spectral-Dricen Iterative Reconstruction Technique. PLoS ONE 10 (2015) e0124831
• [FB3]
  Fiebich, M., Schopphoven, S., Rühl, D., Mäder, U. Reproduzierbare Herstellung patientenähnlicher Prüfkörper für die Röntgendiagnostik mittels 3D-Druckverfahren. mt-Medizintechnik 134 (2014) 141-145.
• [FuE-RAD1]:
  Clinical Image Quality Assessment, Förderung durch STW/Niederlande, 2013 – 2017

Arbeitsgruppe MRT/MR-Bildgebung

Die Arbeitsgruppe MRT von Prof. Dr. Keil beschäftigt sich mit der parallelen Signaldetektion in der Magnetresonanztomographie (MRT) [BK1, BK2]. Hier wird eine schnelle, jedoch unvollständige Datenakquisition erzielt, die dann im Zuge der Bildrekonstruktion durch Ausnutzung zusätzlicher Ortsinformationen von mehreren zu einem Verband zusammengefassten Empfangsspulen vervollständigt wird.

Für diese parallele Signaldetektionstechnologie ist Dr. Keil ein internationaler Spezialist. In seiner Zeit als Wissenschaftler an der Harvard University war er Arbeitsgruppenleiter des Human-Connectome-Projects (http://www.humanconnectomeproject.org) für den Bereich der MR-Signaldetektion [BK3], wo eine neue MR-Scanner-Architektur entwickelt wurde, um hochauflösende Diffusionsbilder des menschlichen Gehirns aufzunehmen [FuE-MRT1].

Seit 2015 wird dieser Bereich nun als Forschungsschwerpunkt an der THM aufgebaut, wo durch dezidierte Hardware-Entwicklungen in der MRT neue MR-Signaldetektionsstrategien entwickelt werden. Die 3D-Drucktechnolgie bildet eine wichtige Produktionskomponente, um die Belange des dreidimensionalen Schaltungsdesigns mit den Charakteristiken von anatomisch geformten Gehäusen in ein anwendbares Konzept zusammenzuführen.

• [BK1]
  Farivar R, Grigorov F, van der Kouwe AJ, Wald LL, Keil B. Dense, Shape-Optimized Posterior 32-Channel Coil for Sub-Millimeter Functional Imaging of Visual Cortex at 3-Tesla. Magn Reson Med 76 (2016) 321-328.
• [BK2]
  Keil B, Wald LL. Massively parallel MRI detector arrays. J Magn Reson 229 (2013) 75-89.
• [BK3]
  Setsompop K, Kimmlingen R, Eberlein E, Witzel T, Cohen-Adad J, McNab JA, Keil B, Tisdall MD, Hoecht P, Dietz P, Cauley SF, Tountcheva V, Matschl V, Lenz VH, Heberlein K, Potthast A, Thein H, van Horn J, Toga A, Schmitt F, Lehne D. Rosen BR, Wedeen V, Wald LL. Pushing the limits of in vivo diffusion MRI for the Human Connectome Project. Neuroimage 15 (2013) 220-33
• [FuE-MRT1]
  MRI corticography: Microscale human cortical imaging. National Institute of Health USA, Gesamtförderung 450.000 US$, Anteil Co-PI Keil: 80.000 US$. 2015 – 2018

Arbeitsgruppe Medizinische Physik in der Strahlentherapie

Wissenschaftlicher Schwerpunkt der Arbeitsgruppe STT von Prof. Zink sind Monte-Carlo Simulationen zum Strahlungstransport hochenergetischer ionisierender Strahlung im Bereich der Medizinischen Physik [ZN2, FuE-STT1-2]. Durch die Kooperation mit dem Marburger-Ionenstrahl-Therapiezentrum (MIT), der Philipps-Universität Marburg und der GSI-Darmstadt wird diese Kompetenz zunehmend im Bereich der Partikel-Strahlentherapie genutzt, um Weiterentwicklungen und Verbesserungen der Patientenbestrahlung auf den Weg zu bringen [ZN3, FuE-STT3-4].

Beispielhaft sei hier das für den vorliegenden Antrag relevante, erfolgreich abgeschlossene ZIM-Projekt RIFF genannt [FuE-STT5]. Inhalt des Projekts war die Entwicklung eines neuartigen Designs von sogenannten Ripplefiltern für die Partikel-Strahlentherapie sowie deren Umsetzung mit Hilfe von 3D-Drucktechnologien (s. Abb. 5) [ZN1, ZN4]. Diese Ripple-Filter werden als strahlformende Elemente bei der Patientenbestrahlung in der Partikel-Strahlentherapie eingesetzt, um den sehr schmalen Bragg-Peak der Partikel zu verbreitern und damit die Anzahl der notwendigen Energieschichten für eine homogene Dosisabdeckung des Tumors zu reduzieren und damit insbesondere die Bestrahlungszeiten zu verringern.

• [ZN1]
  Simeonov Y, Weber U, Penchev P, Printz Ringbæk T, Schuy Ch, Brons S, Engenhart-Cabillic R, Bliedtner J, Zink K. 3D range-modulator for scanned particle therapy: development, Monte Carlo simulations and experimental evaluation. Phys. Med. Biol. 62 (2017) 7075-7096
  
• [ZN2]
  Zink K, Czarnecki D, Looe H K, von Voigts-Rhetz P, Harder D. Monte Carlo study of the depth-dependence fluence perturbation in parallel-plate chambers in electron beams. Med. Phys. 41 (2014) 111707
• [ZN3]
  Baumann K, Witt M, Weber U, Engemhart-Cabillic R, Zink K. An efficient method to predict and include Bragg curve degradation due to lung-equivalent material in Monte Carlo codes by applying a density modulation. submitted to Phys. Med. Biol. (2016)
• [ZN4]
  Ringbæk TP, Weber U, Santiago A, Simeonov Y, Fritz P, Krämer M, Wittig A, Bassler N, Engenhart-Cabillic R, Zink K. Dosimetric comparisons of carbon ion treatment plans for 1D and 2D ripple filters with variable thicknesses. Phys Med Biol. 61 (2016) 4327-41
• [FuE-STT1]
  3D-PATH: Entwicklung und Etablierung einer Prozesskette zur Herstellung patienten-individueller 3D-Reichweitenmodulatoren für die Bestrahlung bewegter Tumoren in der Partikeltherapie. ZIM/BMWi, Förderung THM: 190.000 €, 2018-2020 (6 Partner: 3 KMU, 2 Wissenschaft) Gesamtförderung ca. 1 Mio €
• [FuE-STT2]
  PION-Dos: Patientenindividuelle Online-Dosimetrie in der Strahlentherapie mittels EPID. HMWK/LOEWE III, Projektnr 468/15-10: Förderung THM: 209.000 €: 2015-2017
• [FuE-STT3]
  3D-Reichweiten-Modulator für die schnelle Bestrahlung thorakaler Tumoren, Marburger Förderprogramm MIT-Forschung, Förderung THM: 100.800 €, 2017-2018
• [FuE-STT4]
  Medizinische Physik in der Strahlentherapie, Universitätsklinikum Gießen-Marburg (UKGM), Förderung THM: 400.000 €, 2013–2017
• [FuE-STT5]
  RIFF: Entwicklung und Evaluation eines neuen Designs für einen Ripple-Filter für die Rasterscan Bestrahlung in der Partikeltherapie unter Nutzung innovativer Rapid-Prototyping-Verfahren, BMWi-ZIM, FKZ: KF2829804AK2, Förderung THM: 175.000 €, 2013–2015