Wissenschaftler aus Baden-Württemberg wollen mit den Startups Voxalytic und NVision die Hightech-Medizindiagnostik revolutionieren: Die Vision ist es, unter anderem die vielen Patienten bekannte Magnetresonanztomographie MRT günstiger zu machen.

Karlsruhe/Stuttgart - Kühnheit, Kreativität und Interdisziplinarität der Wissenschaft mit der Beweglichkeit eines hungrigen Startups kombinieren – das ist die Vision von Wissenschaftlern der Universitäten Ulm und Stuttgart sowie des Karlsruher Instituts für Technologie, KIT. Sie sehen sich als Wissenschaftler und Unternehmer in einem. Die Firmen sind NVision und Voxalytic, zwei Startups der Wissenschaftler Martin Plenio und Fedor Jelezko in Ulm und Jan G. Korvink in Karlsruhe.

 

Ihr Startup mit Quantentechnologie ist ein Paradebeispiel dafür, wie sich Spitzen- und Grundlagenforschung an den Universitäten für die breitere Öffentlichkeit im Alltag niederschlagen können – und wie daraus auch ein potenziell sehr lukratives Geschäftsmodell entstehen kann.

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Die baden-württembergischen Wissenschaftler forschen an bahnbrechenden Fortschritten in der Quantentechnologie. Mittels moderner mikroelektronischer und mikrosystemtechnischer Fertigungsverfahren für die molekulare Bildgebung, Sensorik und Diagnostik wollen sie dies in der Medizintechnik nutzbar machen. MRT günstiger zu machen, könnte ein Ergebnis sein. Die Quantentechnologie baut auf der Tatsache auf, dass im subatomaren Bereich nicht die Gesetze der klassischen Physik gelten.

MRT günstiger – es wäre eine Revolution

Als eingespieltes Team, das sich seit Jahren kennt, sind die Wissenschaftler angetreten, die Humanmedizin mit Hilfe neuester Fortschritte in der Quantenphysik technologisch zu revolutionieren. Zwei Projekte laufen derzeit an, eines auf EU Ebene, eines auf Bundesebene. Bei der europäischen sogenannten Quantera-Initiative geht es ganz speziell um Quantentechnologie. Jens Anders spricht von der zweiten Welle der „Quantenrevolution“. „In diesem Bereich geht momentan die Post ab“, sagt der gerade einmal 37 Jahre alte frisch berufene Professor für Bionik elektrotechnischer Systeme und Leiter des Instituts für Intelligente Sensorik der Universität Stuttgart.

Viele Firmen zeigen bereits Interesse an den Ergebnissen der Forschung in diesem Bereich. Nicht umsonst gibt es in Baden-Württemberg das Center for Integrated Quantum Science and Technology (IQST), ein Zusammenschluss der Universitäten Stuttgart und Ulm sowie des Max Planck Instituts für Festkörperforschung. „Wir sind in der Technologie jetzt so weit, dass wir Ideen aus der Quantenwissenschaft übernehmen und wirklich in Technologie der Zukunft übertragen können“, sagt Anders.

Interdisziplinäres Projekt

Bei Quantera geht es darum, die Technologie der sogenannte Diamanthyperpolarisation weiterzutreiben. Bei dem hoch spezialisierten, interdisziplinären Projekt arbeiten Quantenphysik, Chemie, Material- und Ingenieurwissenschaften Hand in Hand. Für die Technologie, welche auf den exotisch anmutenden Naturgesetzen im subatomaren Bereich gründet, werden Fehlstellen im Diamant genutzt.

Mithilfe von Laserlicht wird an diesen Stellen der Drehimpuls (Kernspin) des Atomkerns verändert. Dieser veränderte, aktivierte Zustand kann dann mittels elektromagnetischer Impulse auf benachbarte Moleküle übertragen werden. Dadurch wird dann deren Kernspinsignal bis zu Zehntausendfach vergrößert. Damit wird die heute schon vielen Patienten von der Magnetresonanztomographie (MRT) bekannte, auf dem Kernspin basierende Sensorik und Bildverarbeitung revolutioniert.

Acht führende Wissenschaftler aus sechs Ländern (Deutschland, Belgien, Ungarn, der Tschechischen Republik, Niederlande) arbeiten unter der Konsortialführung von Anders für drei Jahre daran, die so genannte Kernspinresonanz (NMR bzw. MRT) und die Elektronenspinresonanz-Spektroskopie (ESR) deutlich empfindlicher zu machen – und zwar gleich um den Faktor tausend.

Raumfüllende Geräte schrumpfen auf tragbare Größen

Möglich wird dies durch ein innovatives Verfahren, mit dem die Magnetfeldstärken, die für sehr gute Signalqualitäten notwendig sind, deutlich gesenkt werden. Als Folge lassen sich die bisher raumfüllenden Geräte mittelfristig auf tragbare Größen schrumpfen. Flexible Einsatzmöglichkeiten für Analysen in Arztpraxen und sogar die Vision der heimischen Anwendung – etwa bei der Blutanalyse – werden somit greifbar. „Auf diese Weise werden vollständig neuartige Anwendungen in der bildgebenden Diagnostik ermöglicht, die direkt dem Patienten zu Gute kommen“, sagt Ilai Schwartz von NVision.

Ein Konkurrenzprodukt von General Electric gibt es– aber es kostet mehr als eine Million Euro. Es ist sehr groß und funktioniert nur bei sehr tiefen Temperaturen von circa 1 Kelvin ( -272ºCelsius). „Zwar funktioniert dieses Gerät wunderbar in Forschungseinrichtungen. Aber es ist nicht geeignet für den Einsatz im Kreiskrankenhaus von nebenan,“ sagt Anders.

Wenn MRT günstiger werden soll, müssen Teile schrumpfen

NVision, Anders und Korvink stellten sich deshalb die Frage, ob es nicht möglich sein müsste, mit Hilfe moderner Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik entscheidende Bauteile zu miniaturisieren. „Unsere Idee ist, ein Gerät hinzubekommen, das man auf einen Tisch stellen kann. Wofür man also keine spezielle Infrastruktur in der Klinik braucht, sondern das Gerät direkt in dem Raum betreiben kann, wo das MRT-Gerät steht,“ sagt Anders. Mithilfe der Magnetresonanz-Bildgebung (MR) kann man das Ganze unmittelbar untersuchen. So die Grundidee für ein Startup mit Quantentechnologie. MRT günstiger, das ist das Ziel: Die Kosten könnten auf einen Bruchteil sinken und damit in jede Klinik Einzug halten.

Auf die Elektronik, für die Anders dabei verantwortlich zeichnet, hat er noch aus seiner Zeit an der Universität Ulm gemeinsam mit Klaus Lips vom Helmholtz Zentrum für Energie und Materialien in Berlin ein Patent. „Dieses Patent stellt einen der Hauptschlüssel zur Realisierung eines kleinen, miniaturisierten Gerätes dar“, sagt Anders.

„Das Spektrometer ist ein Multitalent“

Tatsächlich konnten der gebürtige Hannoveraner gemeinsam mit dem Team von Lips den weltweit ersten Prototypen eines tragbaren Spektrometers vor wenigen Monaten vor einer internationalen Fachjury erfolgreich vorführen. Sie erhielten dafür einen Preis für die beste Live-Demonstration. Die ESR-Spektroskopie kann dabei nicht nur in der Biochemie und medizinischen Diagnostik eingesetzt werden, sondern ist auch für die Erforschung von Energiematerialien wie Katalysatoren, Solarzellen und Batterie-Elektroden sehr nützlich. „Sie ist eine fantastische Methode, um Materialien auf Herz und Nieren zu untersuchen“, sagt Anders.

Damit nicht genug. Anders und seine Partner konzentrieren sich in einem demnächst vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) für kleine und mittlere Unternehmen geförderten Projekt auf die verbesserten Bildgebung im medizinischen Bereich. Sie wollen ganz konkret in der praktischen Anwendung zeigen, dass man ihre Technologie grundsätzlich in jedem Krankenhaus betreiben kann. Das macht dann ein Startup mit Quantentechnologie möglich.

Die Chancen stehen jedenfalls gut, dass die von ihnen entwickelte, innovative Methode der diamantbasierten Hyperpolarisation in nicht allzu ferner Zukunft kostengünstig, auf breiter Basis und auch in verschiedensten Anwendungsbereichen verfügbar wird. MRT günstiger anzubieten, dürfte die Medizin verändern.

Das Institut für intelligente Sensorik und das Forscherteam

Institut – Jens Anders setzt an seinem Institut für intelligente Sensorik und theoretische Elektrotechnik auf grundlegend neue, disruptive Technologien. „Ab und zu sollte in der Forschung, also auch an meinem Institut, ein sprichwörtlicher technologischer Quantensprung gelingen.“ Für die erhoffte Revolution setzt er auf intelligente Sensorik als Forschungsschwerpunkt am Pfaffenwaldring an der Universität Stuttgart. Sie ist das überwölbende Thema seines Instituts, das von den Säulen Theorie, Simulation und Hardware getragen wird. Der praxisbezogene Forscher und Wissenschaftler studierte theoretische Elektrotechnik bei Wolfgang Mathis in Hannover. Ganz im Mathis’schen Sinn betreibt er die Theoretische Elektrotechnik als „Theorie für die Praxis“. In den USA (University of Michigan, Ann Arbor) erwarb sich Anders mit dem Master in Mikroelektronik mit der integrierten Schaltungstechnik ein weiteres wichtiges Standbein seiner heutigen Arbeit. Über die Promotion an der EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) in Lausanne schließlich kam dann sein Faible für die Quantensensorik hinzu.

NVision – Das Startup ist eine Ausgründung der Universitäten Ulm und Jerusalem, ins Leben gerufen von den drei Physikprofessoren Fedor Jelezko, Martin Plenio (Universität Ulm) und Alex Retzker (Hebrew University Jerusalem) sowie Ilai Schwartz (Physiker und CTO). NVision nutzt die Entdeckung einzelner Stickstoff-Vakanz-Defekte in Diamanten. Das Startup setzt dadurch neue Standards bei der molekularen Bildgebung, Sensorik und Diagnostik.

Voxalytic – Mit seinem Startup perfektioniert der Karlsruher Forscher Jan Gerrit Korvink die Pixel-Analyse. Das im Jahr 2014 gegründete Unternehmen stellt hochwertige Chip-Produkte her, die Mikrospulen beinhalten und sich für die Kernspinresonanz, Magnetresonanztomografie (MRT)und Leistungselektronik eignen. Wissenschaftler aus Baden-Württemberg wollen mit den Startups Voxalytic und NVision die Hightech-Medizindiagnostik revolutionieren: Die Vision ist es, MRT günstiger zu machen, also die häufig angewandte Magnetresonanztomographie.