ERC Synergy Grant für die Erforschung der Biomechanik des Herzens

In dem internationalen Projekt MechVivo soll eine neue Methode zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von lebenden Geweben im menschlichen Körper entwickelt werden – der Fokus liegt dabei auf dem Herzen. Dafür erhält es nun einen ERC Synergy Grant.

Der Europäische Forschungsrat (ERC) vergibt vier Pionier-Förderungen: den Starting Grant, den Consolidator Grant, den Advanced Grant und den Synergy Grant. Diese gelten allgemein als eine der höchsten Auszeichnungen, die Forscher aller Fachrichtungen in Europa erhalten können. Wissenschaftliche Exzellenz ist das einzige Kriterium, nach dem diese Finanzhilfen vergeben werden. Von den vier Pionierfinanzhilfen sind die Synergy Grants bei weitem die höchsten und werden am seltensten vergeben.

Mit einem solchen begehrten Synergy Grant wird nun das Projekt MechVivo eines internationalen Konsortiums gefördert. Koordiniert wird es von Prof. Christian Cyron vom Helmholtz-Zentrum Hereon gemeinsam mit Prof. Gerhard A. Holzapfel von der Technischen Universität (TU) Graz (Österreich) und Prof. Sebastian Kozerke von der ETH Zürich (Schweiz). Die Gesamtfördersumme für das über sechs Jahre laufende Projekt beträgt zehn Millionen Euro, davon gehen 2,7 Millionen Euro an Hereon und rund 4,2 Millionen Euro an das Institut für Biomechanik der TU Graz.

Erforschung der Physiologie für spätere Computersimulationen

Biomechanische Computersimulationen versprechen einen Wandel in der klinischen Gesundheitsversorgung. Bisher werden sie jedoch nur selten in der Praxis eingesetzt. Das Problem: Um zuverlässige biomechanische Computersimulationen durchführen zu können, müssen die mechanischen Eigenschaften der beteiligten biologischen Gewebe bekannt sein. Da diese von Patient zu Patient stark variieren, sind sie in der Regel nicht bekannt.

Hierauf wird das Konsortium seine Forschung im Projekt MechVivo konzentrieren. MechVivo steht im Deutschen für: Mechanische Charakterisierung von Weichgewebe in vivo durch mikrostrukturelle Bildgebung und physikbasierte neuronale Netze: Brückenschlag zwischen Biomechanik und klinischer Praxis. 

ETH Zürich: MRT-Fingerabdruck des Gewebes

Im Rahmen des Projekts wird Sebastian Kozerke mit seinem Team am Institut für Biomedizinische Technik, das zur ETH Zürich und zur Universität Zürich gehört, in einem ersten Schritt ein neues Konzept für die Magnetresonanztomographie (MRT) entwickeln, deren detaillierte Auflösung es ermöglicht, einen Fingerabdruck der Zusammensetzung und Mikrostruktur des Gewebes im schlagenden Herzen zu ermitteln. Um ein zuverlässiges In-vivo-Bildgebungsinstrument zu entwickeln, sind erhebliche methodische Fortschritte bei der Simulation von MRT-Sequenzen, dem Design und der Datenrekonstruktion nötig.

TU Graz: tiefgreifendes Verständnis der Biomechanik des Herzens

Um diesen Fingerabdruck des Gewebes richtig zu interpretieren, ist ein umfassendes Verständnis der Mikrostruktur und der mechanischen Eigenschaften von biologischem Gewebe erforderlich. Hier kommt die Forschungsgruppe von Gerhard A. Holzapfel am Institut für Biomechanik der TU Graz ins Spiel: Das Team wird dem Zusammenhang von Genexpression, Mikrostruktur und mechanischen Eigenschaften von weichem biologischem Gewebe im Labor auf den Grund gehen.

Dazu kartiert das Team die Zusammensetzung des Gewebes bis in den Nanometerbereich, um so Rückschlüsse auf die mechanischen Eigenschaften des Herzens zu ziehen. Ex vivo werden an Schweineherzen von Schlachthöfen und menschlichen Spenderorganen verschiedene mechanische Tests und mikroskopische Untersuchungen durchgeführt. Die Testbelastungen sind den Bedingungen im lebenden Körper sehr ähnlich, wodurch sich die mechanischen Eigenschaften des Herzens außerordentlich realitätsnah ermitteln lassen.

Hereon: KI-basierte Software für klinische Anwendung

Am Helmholtz-Zentrum Hereon in Geesthacht wird ein Team um Christian Cyron vom Institut für Werkstoffsystem-Modellierung eine auf Künstlicher Intelligenz (KI) basierte Software entwickeln, die auf Basis der in Zürich und Graz gesammelten Daten die Beziehung zwischen den mikrostrukturellen Fingerabdrücken des Gewebes und dessen mechanischen Gewebeeigenschaften entschlüsselt und Medizinern zugänglich macht. Ziel ist es, die mechanischen Eigenschaften von Geweben in vivo aus den mikrostrukturellen und kompositorischen Informationen abzuleiten, die mit der in diesem Projekt entwickelten neuartigen MRT-Technologie erfasst wurden. Das auf diese Weise gewonnene Wissen über die mechanischen Eigenschaften in vivo kann zur Parametrisierung von Computersimulationen verwendet werden, die die klinische Diagnose und Behandlung unterstützen können, zum Beispiel in Form von neuen implantierbaren Geräten.

Nutzen für die zukünftige Gesundheitsversorgung

Die leitenden Forscher werden bei der Entwicklung und Anwendung der Methodik eng mit Experten für präklinische und klinische Bildgebung an der Universität Zürich, der Medizinischen Universität Graz und dem Universitätsspital Zürich zusammenarbeiten. Der Nutzen für die klinische Versorgung wird in einer klinischen Studie in Zusammenarbeit mit Prof. Robert Manka am Universitätsspital Zürich evaluiert, die sich auf die Herzinsuffizienz mit erhaltener Auswurffraktion konzentriert.

Laut Cyron zielt MechVivo darauf ab, ein völlig neues Funktionsprinzip zu entwickeln, um die mechanischen Eigenschaften von Geweben in lebenden Organismen nichtinvasiv zu bestimmen. „Wenn das Projekt erfolgreich ist, könnte es zu einem Durchbruch führen, der biomechanische Computersimulationen in der klinischen Praxis viel besser nutzbar macht.“

„Unsere drei Forschungsgruppen ergänzen sich durch ihre jeweilige Expertise optimal“, lobt Holzapfel die internationale Zusammenarbeit. Und weiter: „Unser Forschungsansatz in dieser Projektkonstellation verschafft uns weltweit ein Alleinstellungsmerkmal.“