Die von den Mikrochips träumt Dr. Liubov Bakhchova entwickelt Mini-Labore für die Medizin von morgen

Sie ist Erfinderin, „Brückenbauerin“ und setzt sich mit Überzeugung für modernere Technologien in der biomedizinischen Forschung ein: Dr. Liubov Bakhchova. An der TU Braunschweig verbindet die Wissenschaftlerin Mikrotechnologie, Elektronik und biologische Systeme. Dafür arbeitet sie gleichzeitig am Institut für Mikrotechnik und am Institut für CMOS Design – und stellt ständig neue Fragen.

„Mein Gehirn schläft nie“, erzählt Dr. Liubov Bakhchova mit leuchtenden Augen. Manchmal träume sie sogar von neuen Chipdesigns. Um diese direkt umzusetzen, hat sie am Institut für Mikrotechnik ihre eigene Erfinderwerkstatt. Auf dem Tisch liegen Glasplatten mit feinen Kanälen, schlangenförmige Elektroden und ein Koffer voller Elektronik-Chips. Was sie verbindet: Sie sind winzig klein. Viele ihrer Strukturen messen nur wenige Mikrometer – Dimensionen, die mit bloßem Auge nicht mehr zu erkennen sind.

An Dr. Liubov Bakhchovas Arbeitsplatz entstehen aus großen, elektronisch strukturierten CMOS-Halbleiterplatten (im Hintergrund) Mikrochips (im schwarzen Koffer). In der Mitte ist eine Glasplatte mit Elektroden zu sehen, die biologische Aktivität messen können. Zum Beispiel von den Zellen, die in den feinen Kanälen wachsen, die Bakhchova auf eine Siliziumplatte aufgebracht hat (rechts). Bildnachweis: Liubov Bakhchova/ TU Braunschweig

Bakhchova nimmt eine Konstruktion in die Hand, die wie eine Tackerklammer aussieht. Doch sie soll nicht Papier zusammenheften, sondern Herzschläge messen. Dafür umgreifen nadelartige Sensoren künstlich gezüchtetes Herzgewebe aus menschlichen Zellen, das nur wenige Millimeter groß ist. Die Bewegung wird über einen winzigen Elektronik-Chip von der Größe eines Streichholzkopfes ausgelesen.

Solche Mini-Labore werden Organ-on-Chip-Systeme genannt, weil sie menschliche Organe auf kleinstem Raum simulieren. Langfristig könnten sie eine echte Alternative zu Tierversuchen werden. Die menschlichen Zellen und die präzisen Messungen liefern realistischere Ergebnisse als viele bisherige Testsysteme. Gleichzeitig erlaubt der kleine Maßstab eine besonders kontrollierte Testumgebung.

Mit dieser kleinen Konstruktion können Forschende Herzschläge messen. Das künstlich gezüchtete Herzgewebe besteht aus menschlichen Zellen und verbindet die beiden Sensoren wie ein Faden (oben rechts). Bildnachweis: Liubov Bakhchova/ TU Braunschweig und Daiju Yamazaki/ National Institute of Health Science (Tokio, Japan)

„Ohne Fragen kann ich nicht leben“

Am Anfang jedes ihrer Projekte steht eine konkrete biologische Frage: Welches Organsystem soll untersucht werden? Welche Prozesse müssen gemessen werden? Erst danach beginnt die Entwicklung eines passenden Chipsystems. Manche Fragestellungen entstehen gemeinsam mit nationalen und internationalen Kooperationspartnern, andere bringt Bakhchova selbst mit. „Ohne Fragen kann ich nicht leben“, meint die Wissenschaftlerin.

Um solche Systeme entwickeln zu können, bewegt sich Bakhchova täglich zwischen mehreren Fachwelten. Deshalb arbeitet sie an zwei Instituten gleichzeitig. Am Institut für Mikrotechnik entwickelt sie Mini-Laborsysteme mit passgenauer Sensorik. Strukturen, die größer als ein Mikrometer sind, fertigt sie im Reinraum selbst an, noch kleinere Strukturen stellen externe Dienstleister her.

Um die feinen Strukturen der späteren Mikrochips herzustellen, werden dünne Metallschichten mithilfe von Sputter-Verfahren aufgebracht und in Form gebracht. Bildnachweis: Jonas Himmelstoß/ TU Braunschweig

Durch diese Sensoren wird die biologische Aktivität erst messbar. Gesteuert werden sie von den Mikrochips, die die Wissenschaftlerin am Institut für CMOS Design entwirft. Dafür pendelt sie teilweise mehrmals täglich zwischen den beiden Instituten.

Interdisziplinär arbeiten heißt Fragen zu stellen

Durch die Verbindung zwischen Mikrotechnologie und Elektronik entwickelt Bakhchova modernste Organ-on-Chip-Systeme. Bildnachweis: Maryna Bosiaha

Dass sie zugeben kann, wenn sie etwas nicht weiß, hilft ihr bei ihrer Forschung enorm. Denn die Wissenschaftlerin ist nicht nur die technische Schnittstelle zwischen Mikrotechnologie, Elektronik und Biologie – sie baut auch Brücken zwischen Menschen mit ganz eigenen Begriffen und Denkweisen. Brücken bauen ist ihre Leidenschaft. Die ersten Organ-on-Chip-Systeme entwickelte sie während ihrer Promotion in Magdeburg, damals allerdings noch ohne Elektronik. Dabei fiel ihr auf, wie schwierig die Verständigung zwischen Biolog*innen und Ingenieur*innen oft ist. „Sie brauchten jemanden, der den Kopf aufmachen und über die eigenen Grenzen hinausdenken kann – und das bin ich“, erinnert sie sich.

Hinter ihrer Begeisterung für die Forschung steht aber auch ein starkes Verantwortungsbewusstsein. Bakhchova setzt sich für eine Welt frei von Tierversuchen ein, ohne dabei die Sicherheit von Medikamenten aus dem Blick zu verlieren. Wie wichtig ihr das Thema ist, wurde ihr während ihrer Zeit am Uniklinikum Magdeburg bewusst, als sie selbst miterlebte, wie belastend diese Versuche für Tiere sein können.  Besonders prägend sei dabei auch die Beziehung zu ihrem Hund Rex gewesen, denn: „Auch Rex könnte im Labor leiden.“

In Mikro-Schritten zu einer besseren Welt

Weniger als fünf Jahre später leitet Bakhchova an der TU Braunschweig bereits ihre eigene Arbeitsgruppe und habilitiert. Seit vergangenem Jahr gehört sie außerdem zum Vorstand der European Organ-on-Chip Society. Dort setzt sie sich insbesondere für bessere Bedingungen für weibliche und internationale Forschende ein. Gleichzeitig ermöglicht ihr die Position einen engen Austausch mit der Industrie. So erfährt sie direkt, welche Anforderungen die Medizin künftig an Organ-on-Chip-Systeme stellt. Auch im europäischen Forschungsprojekt UNLOOC arbeitet sie an der Weiterentwicklung solcher Systeme mit. Dass sie als junge Wissenschaftlerin mitentscheiden kann, wohin sich das Forschungsfeld entwickelt, bedeutet ihr viel.

Wo die medizinische Forschung in einigen Jahren stehen wird, lässt sich heute kaum absehen. Klar ist jedoch: Organ-on-Chip-Systeme könnten die Entwicklung von Medikamenten grundlegend verändern – präziser, individueller und mit weniger Tierversuchen. An genau diesen dafür nötigen Mikrosystemen arbeitet Bakhchova bereits heute. Schließlich beginnt für sie jede neue Antwort mit einer weiteren Frage.