Modellierung, Design und Implementierung eines 3D in vivo Molekularen Kommunikationssystems

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Thiha Aung; Professorin Dr. Silke Härteis; Dr.-Ing. Maximilian Schäfer
• Fachliche Zuordnung: Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 556119139

Synthetische Molekulare Kommunikation (MK) ist ein innovatives interdisziplinäres Forschungsgebiet an der Schnittstelle zwischen den Lebenswissenschaften und den Ingenieurwissenschaften. MK tritt natürlicherweise in biologischen Systemen auf und soll zukünftig die Kommunikation zwischen synthetischen Nanomaschinen oder mit biologischen Systemen ermöglichen. Die Anwendungsmöglichkeiten der MK liegen unter anderem in Sektoren wie Industrie, Landwirtschaft, Umweltüberwachung und Medizin. Insbesondere im medizinischen Bereich hat MK das Potenzial für Innovationen im Langzeitmonitoring des Gesundheitszustands, der Früherkennung von Krankheiten sowie der personalisierten Medizin. Aus den vielfältigen medizinischen Anwendungen der MK entstand das Konzept des Internet of BioNanoThings (IoBNT), das über das herkömmliche Gesundheitsmonitoring hinausgehen soll, indem es In-body-MK-Netzwerke nutzt, um Organe und Zellen mit dem Internet zu verbinden. Unter anderem, soll das IoBNT die Echtzeitüberwachung des Gesundheitszustands und die gezielte Medikamentengabe für eine personalisierte Therapie ermöglichen. Trotz der Zunahme experimenteller Arbeiten, ist die MK-Forschung nach wie vor überwiegend theoretisch, und die größte Herausforderung besteht darin, theoretische Konzepte in die Praxis umzusetzen. Insbesondere im medizinischen Bereich konzentriert sich die MK-Forschung auf Anwendungen im Körper, was die experimentelle Validierung in realistischen Umgebungen erfordert. MK-Technologien sind jedoch sehr invasiv, was Tierversuche oder Versuche am Menschen derzeit nahezu unmöglich macht. Daher ist das Ziel des vorgeschlagenen interdisziplinären Projekts die Entwicklung des weltweit ersten 3D in vivo MK-Testbeds auf Basis des Chorioallantoismembran(CAM)-Modells. Die CAM bildet sich in befruchteten Hühnereiern und dient aufgrund ihrer hohen Vaskularität als Atmungsorgan. Momentan werden CAM-Modelle verwendet, um z.B. die Auswirkungen von Therapeutika zu untersuchen, indem menschliches Gewebe auf der CAM kultiviert wird. Das CAM-Modell zählt zu den Alternativmethoden zum Tierversuch und entspricht den 3R-Prinzipien von „Replacement“, „Reduction“ und „Refinement“. Ziel des Projekts ist die Etablierung des CAM-Modells als vielseitiges und realistisches Testbed für MK-Technologien. Die Projektziele umfassen (i) die Entwicklung kommunikationstheoretischer Modelle für Übertragung, Ausbreitung und Detektion in der CAM, (ii) die Herleitung von Modulations- und Kontrollalgorithmen für präzise Partikelfreisetzung und -erkennung, (iii) den Aufbau des weltweit ersten in vivo MK-Testbeds auf Basis des CAM-Modells unter Verwendung von Tumorgewebe des duktalen Adenokarzinom des Pankreas (PDAC) als realistisches MK-Empfängermodell, und (iv) die Entwicklung eines umfassenden Tutorials zu CAM-basierten MK-Testbeds.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen