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Vier Teams zur 10. Preisverleihung nominiert

„Der Deutsche Zukunftspreis geht an ...“ Am 23. November 2006 wird dieses Geheimnis zum 10. Mal gelüftet. Bundespräsident Horst Köhler zeichnet dann eines von vier nominierten Teams für ihre innovativen Projekte mit dem mit 250.000 Euro dotierten Deutschen Zukunftspreis aus.

Der Chef des Bundespräsidialamtes, Staatssekretär Dr. Gert Haller, hat heute in Berlin die nominierten Teams der Öffentlichkeit vorgestellt. Die Auszeichnung gelte Projekten, die nicht nur von hoher wissenschaftlicher Qualität, sondern auch anwendungs- und damit marktreif sind, erklärte er. Wie aus guten Ideen Erfolge entstehen – das mache der Deutsche Zukunftspreis sichtbar.

Bundespräsident Horst Köhler schreibt in einem Geleitwort zum diesjährigen Preis: „Hinter den Innovationen stehen Menschen. Menschen mit Ideen und dem Mut und der Ausdauer, diese zu verwirklichen. Menschen, die mit ihrem Wissen und Können Pioniere sind für den Aufbruch in die Zukunft.“ Ihr Vorbild herauszustellen sei ein Ziel des Deutschen Zukunftspreises.

Das ZDF berichtet in den Tagen vor der Preisverleihung in seinen Magazinsendungen über die Nominierungen. Eine Sondersendung zur Preisverleihung wird am 23. November 2006, 22.15 Uhr ausgestrahlt. Auf PHOENIX ist eine Übertragung der Veranstaltung ebenfalls für den 23. November 2006 geplant.

Folgende Teams wurden für den Deutschen Zukunftspreis 2006 – Preis des Bundespräsidenten für Technik und Innovation – nominiert:

Prof. Dr. rer. nat. Stefan W. Hell
Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie, Göttingen
Lichtmikroskopie in ungekannter Schärfe

Professor Stefan Hell hat als Erster einen Weg gefunden, die 130 Jahre alte Abbesche Grenze im Fluoreszenzmikroskop, dem wichtigsten Mikroskop der biomedizinischen Forschung, zu überwinden. Seit dem 17. Jahrhundert steht das Lichtmikroskop wie kaum ein anderes Instrument für wissenschaftlichen Fortschritt. Die Lichtmikroskopie war der Schlüssel zu wichtigen Entdeckungen – insbesondere in der Biologie und der Medizin.

Doch ein Lichtmikroskop kann nur solche Details scharf zeigen, die mindestens die Hälfte eines Mikrometers (Tausendstel eines Millimeters) voneinander entfernt sind. Beobachtungen, die schärfer dargestellt sein sollen, können nur mit dem Elektronenmikroskop gemacht werden. Doch das kann wiederum keine intakten oder lebenden Zellen betrachten, denn das geht nur mit Licht.

Stefan Hell hat daher die STED-Mikroskopie entwickelt. STED steht für „stimulated emission depletion“. Mit Hilfe der STED-Mikroskopie können heute Proteinverteilungen viel schärfer als bisher dargestellt werden. Dies führte zu wichtigen Erkenntnissen. So konnte die STED-Mikroskopie einzelne Bläschen mit Nervenbotenstoffen (synaptische Vesikel) auflösen und eine wichtige Frage der Neurobiologie lösen.

Das Neue an diesem Verfahren ist, dass seine Schärfe nicht mehr durch die Lichtwellenlänge begrenzt ist. Die erreichbare Auflösung ist nur eine Frage der Umsetzung. So erreichten Hell und seine Mitarbeiter bereits Auflösungen von 20 Nanometern, also 10-fach über Abbes Grenze. Da Proteinkomplexe im Bereich 0,01 bis 0,2 Mikrometer liegen, hat dieses Mikroskop das Potenzial, alsbald in die molekulare Skala des Lebens vorzudringen und Krankheiten besser auf die Spur zu kommen.

Mehr noch: Hell konnte eine ganze Familie von superscharfen Lichtmikroskopen definieren. Dazu ergänzte er Abbes Formel um einen entscheidenden Wurzelterm, der nun auch molekulare Auflösungen zulässt.

Abbes Beugungsgrenze behindert aber nicht nur den Einblick in die Zelle, sondern auch die Herstellung kleinster elektronischer Schaltkreise. Auch hier fordert Abbes Gesetz die Verwendung immer kürzerer Wellenlängen – in Zukunft sogar von Röntgenlicht. Weil Röntgenlicht aber sehr schwierig zu bündeln ist, hat diese Forderung weltweit milliardenschwere Anstrengungen ausgelöst, um die erforderlichen Optiken und Verfahren zu entwickeln. Doch mit geeigneten schaltbaren Molekülen ließe sich Hells Prinzip umkehren und zum Herstellen feinster Nanostrukturen verwenden. Obwohl das Verfahren vermutlich für Massenspeicher zu langsam wäre, könnte man beliebig kleine Strukturen kundenorientiert anfertigen – und zwar mit sichtbarem Licht.

Die patentierte STED-Mikroskopie wurde an die in Wetzlar und Mannheim produzierende Leica Microsystems GmbH lizenziert. Leica entwickelt die STED-Mikroskopie zum marktfähigen Gerät und hat die Markteinführung für 2007 angekündigt. Die Max-Planck-Gesellschaft hat weitere Grundlagenpatente Hells angemeldet und verhandelt über deren Verwertung.

Die optische Erschließung der Nanoskala verspricht einen bisher kaum für möglich gehaltenen Zugang zum Verständnis des Lebensvorgangs in der Zelle, der zu bahnbrechenden Entdeckungen bei der Entstehung von Krankheiten führen kann.

Dr. rer. nat. Karin Schütze (Sprecherin)
Dr. rer. nat. Carsten Hoyer
Dr. rer. nat. Yilmaz Niyaz
P.A.L.M. Microlaser Technologies GmbH, Bernried
Fokussiertes Laserlicht lässt Zellen fliegen – Berührungsfreie Gewinnung biologischer Proben für Forschung und Diagnostik

Dr. Karin Schütze hat seit 1993 ein Verfahren zur berührungsfreien Präparation biologischer Proben entwickelt, das mit ihrem Team systematisch weiterentwickelt, präzisiert und inzwischen in marktreife Anwendungen umgesetzt wird.

Wesentliche Aufgaben der modernen Biologie und Medizin sind die genaue Aufklärung zellulärer Vorgänge und die Nutzung der dabei gewonnenen Erkenntnisse für Therapien, Produkte oder Wirkstoffe. Laserstrahlen sind bevorzugte Werkzeuge der biomedizinischen Forschung: Sie dringen berührungslos in die Zelle ein, mit ihnen können Lebensvorgänge untersucht werden, ohne die Zelle selbst zu schädigen. Mit fokussierten Laserstrahlen lassen sich auch ganz gezielt Zellen aus Präparaten ausschneiden oder mikrochirurgische Eingriffe durchführen.

Diese Eigenschaften werden bereits seit Anfang der 80er-Jahre für die Forschung genutzt. Mikrostrahlsysteme und Optische Pinzette als Werkzeuge sind seit 1990 bekannt, erlebten aber erst mit dem von Karin und Raimund Schütze patentierten Laser-Pressure-Catapulting (LPC)-Verfahren ihren Durchbruch. Mit LPC wurde die Bearbeitung biologischer Proben so weit verfeinert, dass damit homogene Zellproben ohne mechanische Berührung – also völlig kontaminationsfrei – gewonnen werden konnten. Damit war es erstmals möglich, molekularbiologische Ergebnisse auf der Basis einzelner Zellen auch ihrer Funktion zuzuordnen. Ein weiterer Fortschritt bestand in der Kombination mehrerer Bearbeitungsschritte zu einer neuen Technologie: Dabei schneidet der Laserstrahl einzelne Zellen oder ganze Zellareale aus einer Gewebeprobe, hebt sie – nur unter Einsatz des gebündelten Lichtes – aus der Präparatebene hinaus und transportiert sie zielgenau in ein Probengefäß. Dieses aus „Schneiden“ und „Katapultieren“ kombinierte Verfahren wurde unter der Abkürzung LMPC (Laser Micro-dissection and Pressure Catapulting) patentiert und bekannt.

Das LMPC-Verfahren eröffnet der Gen- und Proteinforschung neue Einblicke in die zellulären Mechanismen bei der Entstehung von Krankheiten. Nur anhand reiner Proben lassen sich wirklich sinnvolle molekularbiologische Analysen erstellen, funktionelle Zusammenhänge zweifelsfrei erkennen oder Fehlfunktionen eindeutig diagnostizieren. Die Anwendungsfelder der Lasermikrodissektion reichen von der Isolierung einzelner Chromosomen oder Zellkompartimente bis zur Gewinnung ausgesuchter Zellen aus fixierten Gewebeproben. Aus Zellkulturen können Zellen lebend für eine nachfolgende klonale Vermehrung gewonnen werden. Auch ganze Organismen, wie der Nematode C. elegans, überleben den laserbasierten Transport.

Das bereits 1993 von Karin und Raimund Schütze gegründete Unternehmen P.A.L.M. Microlaser Technologies hat auf Basis der Technologie zahlreiche Applikationen entwickelt. Das PALM-MicroBeam System hat sich in der Tumorforschung etabliert, es wird in der Botanik und zunehmend in der Forensik genutzt. Ein sehr wichtiges und zukunftsorientiertes Anwendungsgebiet ist die Isolierung lebender Zellen für die Stammzellenforschung und die Gewebezucht in der regenerativen Medizin. Reine Lebendzellpopulationen werden zunehmend auch für die Entwicklung und Testung spezifischer Wirkstoffe in der personalisierten Medizin unentbehrlich. Dies führt in der Arzneimitteltestung zu erheblicher Zeitersparnis. Mittlerweile sind mehr als 600 P.A.L.M.-MicroLaser-Systeme weltweit installiert. Stetiges Wachstum führte dann zur Gründung einer AG. Seit 2004 ist die Firma ein 100-prozentiges Tochterunternehmen der Carl Zeiss MicroImaging GmbH, über deren weltweites Vertriebsnetz die Systeme heute vertrieben werden.

Dr.-Ing. Jürgen Seekircher (Sprecher)
Prof. Dr.-Ing. Peter M. Knoll
Dipl.-Ing. Manfred Meißner
DaimlerChrysler AG, Sindelfingen, Robert Bosch GmbH, Leonberg
Der Nachtsicht-Assistent – Infrarot-Technik für mehr Fahrsicherheit bei Dunkelheit

Dr. Jürgen Seekircher, DaimlerChrysler AG, sowie Professor Dr. Peter Knoll und Manfred Meissner von der Robert Bosch GmbH stehen bei diesem Projekt stellvertretend für eine rund 190-köpfige Entwicklungsmannschaft. Die Projektpartner DaimlerChrysler und Bosch arbeiten seit vielen Jahren daran, das Autofahren bei Dunkelheit sicherer zu machen. Nun wurde gemeinsam ein bildgebendes System zur Verbesserung der Sicht bei Nacht realisiert, das sich durch ein hohes Unfallvermeidungspotenzial auszeichnet.

Das Risiko, im Straßenverkehr schwer zu verunglücken, ist in der Dämmerung und bei Dunkelheit größer als tagsüber. Obwohl sich das durchschnittliche Verkehrsaufkommen in der Nacht auf ca. 15 bis 20 Prozent verringert, ereignet sich in dieser Zeit mehr als jeder dritte tödliche Verkehrsunfall. In Europa trifft das etwa 15.000 Menschen, allein in Deutschland über 1.500 pro Jahr. Oft wird in der Dunkelheit der Streckenverlauf nicht richtig eingeschätzt. Als Folge davon kann es zu Kollisionen mit dem Gegenverkehr kommen oder dazu, dass das Fahrzeug von der Straße abkommt. Der Anteil an Fußgängerunfällen mit tödlichem Ausgang ist in der Dämmerung und nachts besonders hoch.

Bei der heutigen Verkehrsdichte ist Fahren mit Fernlicht nur noch in seltenen Fällen möglich. Die Sichtweite mit Abblendlicht ist auf ca. 50 bis 70 Meter beschränkt. Bei Gegenverkehr kann der Fahrer die Fahrbahn und eventuelle Hindernisse neben und hinter dem blendenden Fahrzeug deshalb oft nicht erkennen. Mit Hilfe des Nachtsicht-Assistenten lässt sich dieses Risiko spürbar reduzieren. Die Projektpartner haben sich hierbei für das „aktive“ Verfahren, bei dem die Fahrbahn mit Infrarotlicht ausgeleuchtet wird, entschieden.

Beim Nachtsicht-Assistenten beleuchten zwei Infrarot-Fernscheinwerfer die Fahrbahn. Die auch im Infrarot-Wellenlängenbereich sensitive Kamera an der Innenseite der Frontscheibe nimmt die ausgeleuchtete Straßenszene auf. Das so erfasste Fahrzeugvorfeld wird auf einem großen Grafikdisplay als kontraststarkes Schwarzweiß-Bild dargestellt. Durch die Anordnung des Displays im Kombiinstrument bleibt der Vorteil des Nachtsicht-Assistenten im Gegensatz zu „Head-Up-Displays“ auch bei Blendung durch entgegenkommende Fahrzeuge voll erhalten. Die Kombination von Nachtsicht-Bild und Tachometer vermeidet zusätzliche, unnötige Blickabwendungen, es genügt ein kurzer „Augenblick“ zum Erfassen der Verkehrssituation, ähnlich dem Ablesevorgang des Tachometers. Der Nachtsicht-Assistent blendet den Gegenverkehr nicht, da Infrarotstrahlung für das menschliche Auge unsichtbar ist.

Der Nachtsicht-Assistent bietet in etwa die Sichtweite wie bei eingeschaltetem Fernlicht: Der Straßenverlauf ist besser sichtbar, Hindernisse werden früher erkannt. Selbst dunkel gekleidete Fußgänger werden sehr viel früher, nämlich aus einer Entfernung von 160 Metern gegenüber nur 70 Metern z.B. mit Bi-Xenon-Abblendlicht, gesehen. Das bedeutet eine erhebliche Verbesserung bei der Sicherheit.

Es war strategisches Ziel der Projektpartner, das Nachtsicht-System als ersten Baustein eines erweiterbaren Plattformkonzepts zu realisieren. Dazu bedarf es einer universellen Kamera, die sowohl bei Nacht als auch bei Tag eingesetzt werden kann, und eines Steuergerätes, dessen Rechenleistung in weiten Grenzen variierbar ist. Dies wurde mit der neu entwickelten Kamera und der elektronischen Bildbearbeitung realisiert. Mit der Einführung des Nachtsicht-Assistenten als Sonderausstattung für die Modellreihe der Mercedes-Benz S-Klasse ist erstmals ein aktives Nachtsicht-System in Europa für ein Serienfahrzeug verfügbar. Es ist anzunehmen, dass sich die Funktion des Nachtsicht-Assistenten – folgt man den Entwicklungsschritten bei Sicherheitsstandards der Automobilbranche – langfristig auch in Fahrzeugen anderer Klassen durchsetzt mit entsprechenden Effekten auf die Stückzahlen. Weiterhin markiert der Nachtsicht-Assistent den Beginn einer Entwicklung, in der das Fahrzeug auf der Basis kamerabasierter Assistenzsysteme zunehmend komplexere Funktionen erfüllen wird. Technologien wie der Nachtsicht-Assistent leisten damit am Standort Deutschland einen Beitrag zur Sicherung von Arbeitsplätzen in der Automobilindustrie.

Marktstudien prognostizieren, dass in den kommenden 10 bis 15 Jahren einige hunderttausend Systeme eingebaut werden, für das Jahr 2015 geht man von rund 300.000 Einheiten aus. Wird die Nachtsicht-Funktion, wie jetzt in der Entwicklung geplant, Teil eines Gesamtsystems mit mehreren videobasierten Funktionen, liegt die geschätzte Stückzahl in 2020 bei rund zwei Millionen Systemen.

Prof. Dr. med. Dr. rer. nat. Peter A. Tass (Sprecher)
Prof. Dr. med. Volker Sturm
Forschungszentrum Jülich in der Helmholtz-Gemeinschaft, Jülich, Universität zu Köln, Köln
Entwicklung eines neuen Hirnschrittmachers mit Methoden der statistischen Physik und nichtlinearen Mathematik

Die Innovation von Professor Peter Tass und Professor Volker Sturm zeigt neue Wege in der Behandlung schwerer Erkrankungen des Nervensystems wie der Parkinson-Krankheit auf.

In Deutschland gibt es offiziell etwa 150.000 Parkinson-Patienten, Schätzungen gehen von 250.000 bis 400.000 Betroffenen aus. Die Behandlung mit einem Hirnschrittmacher ist die Standardtherapie für Patienten mit schweren, medikamentös nicht behandelbaren Bewegungsstörungen wie bei Parkinson und essentiellem Tremor. Hierzu werden Elektroden in Hirngebiete implantiert, in denen die Nervenzellverbände krankhaft synchron aktiv sind. Durch eine elektrische Dauerreizung wird die Aktivität der Nervenzellen in den Zielgebieten massiv verändert und unterdrückt. Vielen Patienten kann hierdurch geholfen werden. Das Verfahren hat aber Grenzen. Eine relevante Anzahl von Patienten hat Nebenwirkungen oder spricht überhaupt nicht auf die Behandlung an, bzw. die therapeutische Wirkung lässt im Laufe der Behandlung nach oder verschwindet sogar ganz.

Professor Tass und Professor Sturm haben einen neuartigen Hirnschrittmacher entwickelt, der deutlich schonender und effektiver den eigentlichen Krankheitsprozessen entgegenwirkt. Die elektrischen Impulse werden bedarfsgesteuert verabreicht, nämlich nur dann, wenn die Hirnzellen beginnen, krankhaft im gleichen Takt zu feuern. Die Tätigkeit der Nervenzellen in den überaktiven Hirnbereichen wird somit nicht unterdrückt, sondern gezielt aus dem Takt gebracht. Hierzu haben Sturm und Tass die betroffenen Nervenzellverbände in mathematischen Modellen nachgebildet und schonende, sehr effiziente Stimulationstechniken mit Methoden der modernen Mathematik und statistischen Physik entwickelt.

Die besondere Wirksamkeit des neuen Hirnschrittmachers beruht darauf, dass er gezielt grundlegende Gesetzmäßigkeiten des Nervensystems – dynamische Selbstorganisationsprinzipien und plastische Lernregeln – ausnutzt, um mit minimalen Einwirkungen maximale Effekte zu erzielen. Der neue Hirnschrittmacher desynchronisiert – d.h. er wirkt selektiv den krankhaften Synchronisationsvorgängen in den betroffenen Nervenzellpopulationen entgegen. Neben einer möglichst schonenden Unterdrückung der Symptome zielt die Wirkweise des neuen Hirnschrittmachers darauf ab, durch ein über die Stimulation gesteuertes Verlernen der krankhaften Interaktionen in den betroffenen Nervenzellverbänden eine heilende Wirkung zu ermöglichen.

Die desynchronisierende Wirkung des neuen Hirnschrittmachers eröffnet eine völlig neue Behandlungsmöglichkeit für ein breites Spektrum an neurologischen und psychiatrischen Erkrankungen, die sich durch übersteigerte Synchronisationsvorgänge auszeichnen: Dies betrifft Bewegungsstörungen, Funktionsstörungen nach Schlaganfällen, Epilepsien und schwerste, anders nicht behandelbare psychiatrische Erkrankungen.

Die Funktionen des neuen Hirnschrittmachers wurden bereits erfolgreich getestet, im nächsten Schritt wird das Gerät weiter optimiert und verkleinert. Der neue Hirnschritttmacher wird in den nächsten drei Jahren klinisch einsetzbar sein.

Professor Tass und Professor Sturm haben 2005 ein Unternehmen gegründet, das den neuen Hirnschrittmacher ab 2009 für die klinische Anwendung einsatzbereit machen und produzieren soll. Damit trägt das Projekt nicht nur zur Behandlung und Heilung schwerer Krankheiten bei; die Innovation schafft auch neue, hochtechnisierte Arbeitsplätze.

Quelle: deutscher-zukunftspreis.de