Rund 170 Millionen Mal brechen sich Menschen weltweit jedes Jahr ihre Knochen. Das bedeutet für Betroffene oft monatelange Einschränkungen. Dennoch führen herkömmliche Fixierungen, wie etwa eingesetzte Platten und Schrauben, nicht immer zum Erfolg – in manchen Fällen heilt der Knochen trotz Stabilisierung nicht wie gewünscht. Bislang fehlt in der Medizin eine prognostische Methode, um solche Heilungsstörungen frühzeitig individuell vorherzusagen. Um diese Abläufe zu optimieren, forscht Prof. Dr. Sara Checa Esteban am Institut für Biomechanik der Technischen Universität Hamburg (TUHH) an computergestützten Simulationsmodellen. Diese sollen dabei helfen, Heilungsverläufe präziser zu prognostizieren und individuell auf Patient*innen abzustimmen.
Im Rahmen einer feierlichen Antrittsvorlesung zeichnete Prof. Arne Speerforck, Studiendekan für Maschinenbau, den beeindruckenden internationalen Werdegang von Prof. Checa nach. Dieser führte sie vom Studium des Industrieingenieurwesens in Málaga über die Promotion an der University of Southampton bis hin zum Trinity College in Dublin und der anschließenden, langjährigen Professur am Julius-Wolff-Institut der Berliner Charité. Nach einem kurzen Grußwort von TU-Präsident Prof. Andreas Timm-Giel präsentierte die Wissenschaftlerin im gut besuchten Audimax II ihre Forschung.
Die Sprache der Zellen verstehen
In ihrer Antrittsvorlesung zeigte die Wissenschaftlerin unter dem Leitsatz „Digital Healing“, wie rechnergestützte Simulationen die Knochenheilung unterstützen können. Die Forschung bewegt sich dabei an der Schnittstelle von Medizin und Ingenieurwissenschaften. Die biologische Grundlage liefert die Mechanobiologie: Sie erforscht, wie lebende Zellen auf physikalische Reize von außen – etwa Druck oder Bewegung – reagieren und diese in biologische Signale umwandeln.
Statt den Heilungsverlauf komplizierter Frakturen lediglich abzuwarten, berechnet eine Software den Regenerationsprozess im Voraus. Das System fungiert dabei wie ein „digitaler Zwilling“ des verletzten Knochens. Für die Analyse übersetzt der Computer den Knochenbruch in chemische und physikalische Daten. Die Software muss dabei wie bei einem extremen Zoom-Effekt viele verschiedene Ebenen beachten: vom sichtbaren Knochen über die verschiedenen Gewebearten bis zu den mikroskopisch kleinen Zellen. Ziel der Forschung ist es, diese komplexen Wechselwirkungen exakt zu erfassen, um die Skelettgesundheit grundlegend zu verstehen.
Maßgeschneiderte Implantate aus dem Computer
Da jeder Mensch und jede Verletzung eine ganz eigene Dynamik besitzen, setzt das Institut für Biomechanik auf personalisierte Simulationen. „Eine patientenspezifische Simulation bedeutet, dass es für jeden Patienten ein eigenes Modell gibt“, erklärte Checa. „Je nach Forschungsfrage speisen wir dafür auch Computertomographie-Scans ein. In der Praxis optimieren wir dann das Design eines Implantats oder einer Fixierung und untersuchen die Auswirkungen der Belastung.“ Besonders wertvoll ist dieses Verfahren bei schweren Defekten, bei denen große Teile des Knochens vollständig fehlen. Hier kommen künstliche Implantate als sogenannte „Wachstumsgerüste“ zum Einsatz. Die Simulation kann im Vorfeld das ideale Design dieser Strukturen unterstützen, damit körpereigene Zellen sie optimal besiedeln und die Lücke im Knochen passgenau schließen können.
Noch ist das Verfahren laut Checa aber Zukunftsmusik. Die Modelle befinden sich derzeit in der intensiven Testphase und werden für den Einsatz in Kliniken vorbereitet. Künftig sollen vorausschauende Simulationen behandelnde Ärzt*innen bei schweren Entscheidungen unterstützen und Patient*innen eine langwierige Rehabilitation ersparen.
