Ein neues Forschungsprojekt am Riedberg verspricht die Medizin revolutionieren zu können: Unter dem Namen „4D-PRODRUG“ entwickeln Forschende des Frankfurt Institute for Advanced Studies (FIAS), der Goethe-Universität und der Glatt GmbH intelligente Trägermaterialien, die Wirkstoffe im Körper gezielt freisetzen. Das vom Bund geförderte Vorhaben startet am 01.09.2026.
Ob Sterne, Dreiecke oder Kugeln – was auf den ersten Blick wie eine geometrische Spielerei wirkt, hat einen handfesten medizinischen Hintergrund: Je nach Form veränderten sich das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen und damit die Geschwindigkeit, mit der ein verpacktes Medikament im menschlichen Körper abgegeben wird. So lassen sich Wirkstoffe künftig punktgenau steuern – angepasst an die individuelle Dosierung und den idealen Wirkzeitraum für Patienten.
Biologie trifft synthetische Chemie
Grundlage des neuen Verfahrens sind sogenannte Elastin-like Proteins (ELPs). Diese Proteine ähneln einem körpereigenen Faserprotein, greifen das Immunsystem nicht an und zeichnen sich durch hohe Flexibilität aus. Im Labor werden sie chemisch so modifiziert, dass sie unter Lichteinfluss polymerisieren¹. Es entstehen biohybride Hochleistungsmaterialien, die nicht nur formbar sind, sondern auch aktiv auf Umwelteinflüsse wie die Temperatur oder den pH-Wert im Körper reagieren.
Verarbeitet werden diese Biohybride in einem modernen 4D-Druckverfahren². Zum Einsatz kommt dabei das Light-Sheet Laser-Writing³. Hierbei lösen Laserstrahlen in hauchdünnen Licht-Ebenen berührungslos und extrem schnell das Aushärten des Materials aus – ideal für die sterile Verarbeitung pharmazeutischer Wirkstoffe.
Das Druckverfahren von 4D-PRODRUG verwendet Laserstrahlen in Licht-Ebenen. Sie lösen die Polymerisation des veränderten Strukturproteins Elastin aus. Quelle: Francesco Pampaloni, GU.
Interdisziplinäre Zusammenarbeit auf dem Campus
An der Entwicklung sind Wissenschaftler verschiedener Fachrichtungen beteiligt:
- Stefan Schiller (Institut für Pharmazeutische Technologie, Goethe-Universität) entwickelt die modulare Protein-Plattform aus veränderten Aminosäuren.
- Francesco Pampaloni (Institut für Zellbiologie und Neurowissenschaften, Goethe-Universität) steuert die lichtgesteuerte Vernetzung der Biomoleküle bei.
- Sebastian Thallmair (Senior-Fellow am FIAS) unterstützt das Projekt mit physikbasierten Computersimulationen. Durch datenbasierte Erfassung und den Einsatz von künstlicher Intelligenz lassen sich zeitaufwendige Laborexperimente einsparen und die Materialeigenschaften systematisch vorhersagen.
- Die Glatt GmbH bringt als Industriepartner ihr Fachwissen bei der Verarbeitung und Formulierung von Wirkstoffen ein.
Zusätzlich erfasst das Team die Eigenschaften der neuen Werkstoffe in einer umfassenden Datenbank. Diese systematische Bestandsaufnahme, analog zu biologischen Datensammlungen als „Materiomics“ bezeichnet, soll künftigen Forschungsvorhaben als wertvoller Fundus dienen⁴.
Ziel: Personalisierte Medizin der Zukunft
Das Projekt wird für drei Jahre vom Bundesministerium für Bildung, Familie, Technologie und Forschung (BMFTR) gefördert; als Projektträger fungiert der Verein Deutscher Ingenieure (VDI). Ziel der Förderperiode ist ein marktfähiges biohybrides Material, mit dem Schmerzmittel oder Blutdrucksenker individuell und passgenau für jeden Patienten verpackt werden können.
Erklärungen der Fachbegriffe
¹ Polymerisation / polymerisieren: Ein chemischer Prozess, bei dem sich kleine Einzelmoleküle (Monomere) zu langen Ketten oder dreidimensionalen Netzwerken (Polymeren) zusammenschließen. Dadurch wird ein flüssiger oder weicher Stoff fest und formstabil.
² 4D-Druck: Eine Weiterentwicklung des dreidimensionalen 3D-Drucks. Die vierte Dimension beschreibt die Zeit: Das gedruckte Objekt kann nach der Herstellung seine Form oder Eigenschaft verändern, sobald es auf bestimmte Umweltreize (wie Temperatur, Feuchtigkeit oder pH-Wert) trifft.
³ Light-Sheet Laser-Writing (Lichtblatt-Laserschreiben): Ein drucktechnisches Verfahren, bei dem feine Laserlicht-Ebenen eingesetzt werden, um flüssige Materialien punktgenau und kontaktfrei an den belichteten Stellen zu verfestigen.
⁴ Materiomics: Die systematische Erforschung und Erfassung aller Materialeigenschaften sowie der Wechselwirkungen von Werkstoffen in einem Gesamtsystem, analog zu Genomik (Erfgut-Erforschung) oder Proteomik (Eiweiß-Erforschung) in der Biologie.