Schwangerschaft im Forschungsfokus der TU Graz

Es sind zwei kleine, blasse, lebende Strukturen, die gemächlich in einem Bioreaktor treiben. Die Bioreaktor fungiert als kontrolliertes Bioinkubationssystem, das die Umgebung des menschlichen Körpers simuliert und präzise reguliert. Die kleinen Strukturen sind Mini-Organe, genauer gesagt eine Mini-Plazenta und eine Mini-Gebärmutter. Beide wurden aus menschlichen Zellen gezüchtet und entwickeln sich hier im Labor seit wenigen Wochen.

„Wir möchten mit diesen Mini-Organen Schwangerschaftskomplikationen in verschiedenen Stadien kontrolliert untersuchen und Medikamente sicher testen“, erklärt Sahar Ghorbanpour, die die Arbeitsgruppe HerPlacenta seit Jänner 2025 am Institute of Health Care Engineering an der TU Graz leitet. Die Entnahme von Plazentagewebe oder die Testung von Medikamenten während der Schwangerschaft ist aus ethischen Gründen nicht möglich und kann sowohl das Leben der Mutter als auch des Kindes gefährden. Daher bleiben viele wichtige Fragen zu Schwangerschaftskomplikationen und Arzneimittelsicherheit unbeantwortet, obwohl beide für die Gesundheit von Mutter und Kind von entscheidender Bedeutung sind. Gleichzeitig lassen sich Schwangerschaftskomplikationen beim Menschen nicht zuverlässig in Tiermodellen nachbilden, weil Schwangerschaften gänzlich unterschiedlich verlaufen. Abhilfe sollen die Mini-Organe schaffen und eine sichere und kontrollierte Forschung im Labor ermöglichen.

Diese Mini-Organe wachsen im Labor und schweben frei in einer präzise abgestimmten Nährstofflösung in einem Bioreaktor. Das System schafft mikrogravitationsähnliche Bedingungen, die mechanische Belastungen minimieren, sodass sich die Zellen natürlicher organisieren und Strukturen entwickeln können, die echten menschlichen Organen sehr ähnlich sind. „Sie wachsen sehr schnell und entwickeln sich gut“, erzählt Ghorbanpour, die mit einem weltweiten Netzwerk an Forschungspartner*innen arbeitet. Schwangerschaftskomplikationen seien weltweit sehr unterschiedlich, erklärt sie, weshalb Proben aus verschiedenen Ländern so wichtig seien. „Frauen stellen uns großzügig ihre Proben in einer der tiefgreifendstem und verletzlichsten Phase ihres Lebens zur Verfügung“, sagt die Forscherin. Eine Schwangerschaft kann eine außergewöhnliche Erfahrung sein, ist aber auch körperlich und emotional anstrengend – insbesondere, wenn Komplikationen auftreten. Für Ghorbanpour ist diese Realität nicht nur wissenschaftlich, sondern auch zutiefst persönlich. Als junge Frau litt sie an Endometriose, einer Erkrankung, die das Risiko für Schwangerschaftskomplikationen erhöhen kann uns schloss ihre Doktorarbeit ab, während sie selbst mit ihrem ersten Kind schwanger war. „Ich hatte das Glück keine Komplikationen zu erleben“, sagt sie. „Aber viele Frauen, mit denen ich gearbeitet habe, hatten einen sehr schwierigen Weg vor sich. Diese Arbeit hat das Potenzial, die Forschung im Bereich der Gesundheit von Mutter und Fötus zu verändern und uns in eine Zukunft zu führen, in der die Schwangerschaftsversorgung sicherer, besser informiert und weltweit zugänglich ist – damit keine Frau auf ihrem Weg zur Mutterschaft von vermeidbaren Komplikationen überschattet wird.“

„Es ist an der Zeit, dass sie eine der zentralen Fragestellungen der Forschung wird.“

Schon in ihrer früheren Forschungsarbeit an der University of Technology Sydney in Australien gelang ihr ein wichtiger Durchbruch: Sie brachte Biomarker, die in Plasmaproben von Schwangeren mit früh einsetzender Präeklampsie identifiziert wurden, mit dem ersten nanopartikelbasierten Point-of-Care-Gerät zur rechtzeitigen Erkennung dieser Komplikation in Verbindung. Aufbauend auf dieser Arbeit möchte sie nun an der TU Graz ihre neuartige Mini-Organ-Plattform weiterentwickeln, um sie für die Entdeckung von Biomarkern und die Prüfung von Medikamenten einzusetzen und letzendlich genauere Diagnosewerkzeuge zu schaffen. Neben Biotechnolog*innen sind auch Expert*innen aus den Bereichen Nanotechnologie, Biomaterialien, Tissue Engineering und regenerative Medizin sowie ein Partnerunternehmen aus der Industrie mit im Team.

Ein weiteres wichtiges Ziel der jungen Forscherin ist es, die Forschung rund um Schwangerschaft und Frauengesundheit aus der Nische zu holen, in der sie sich seit Jahren befindet: „Es ist an der Zeit, dass sie eine der zentralen Fragestellungen der Forschung wird.“ Für die Zukunft plant die Arbeitsgruppe nicht nur einzelne Organe zu betrachten, sondern auch zu untersuchen, wie verschiedene Organe während der Schwangerschaft miteinander kommunizieren. Die Gruppe Strebt darüber hinaus an, die Arbeit auf schwangerschaftsbedingte Herz-Kreislauf-Erkrankungen auszuweiten, indem sie Miniaturmodelle schlagender Herzen entwickeln.

Trophoblast-Zellen verstehen: Die Zellen, die den Plazenta-Aufbau erst ermöglichen

Ganz am Beginn der Schwangerschaft setzt die Forschung von Julia Fuchs am Institut für Biomechanik an. Sie untersucht, wie sich Trophoblast-Zellen im menschlichen Körper verhalten. Diese Zellen wandern in die mütterlichen Venen und Arterien ein und ermöglichen deren Öffnung zur Versorgung des Embryos. So sind sie für den Aufbau der Plazenta zuständig.

Diese Zellen sind im menschlichen Körper einzigartig, da sie kontrolliert invasiv sind: Sie können in mütterliches Gewebe einwandern, stoppen diesen Prozess jedoch nach einer bestimmten Zeit wieder. In mancher Hinsicht ähneln sie damit Krebszellen, deren Invasivität jedoch unkontrolliert ist und dem Körper schadet. Gerade dieser Unterschied macht Trophoblast-Zellen wissenschaftlich besonders interessant. „Wir bauen im Labor aus Plazenta-Proben aus dem ersten Trimester einer Schwangerschaft und Primär-Zellen aus Blutgefäßen eines Spende-Körpers ein sehr menschennahes Model auf, mit dem wir anschließend die Wanderung von Trophoblast-Zellen untersuchen.“ Insbesondere geht es darum, inwiefern der Zelltyp, der die mütterlichen Blutgefäße auskleidet, das Verhalten der Trophoblast-Zellen beeinflusst und, wie sich die Umgebungsbedingungen wie der Sauerstoffgehalt im Blut auf die Zellen auswirken. „Mit dieser Forschung wollen wir zum einen den Vorgang an sich besser verstehen, gleichzeitig aber auch Biomarker finden, die Schwangerschaftskomplikationen schneller erkennbar und damit behandelbar machen.“ Julia Fuchs arbeitet in ihrer Forschung eng mit dem Lehrstuhl für Zellbiologie, Histologie und Embryologie der Medizinischen Universität Graz zusammen, die neben dem Zugang zu humanen Proben auch zentrales zellbiologisches und medizinisches Fachwissen einbringen.

„Wir bauen im Labor aus Plazenta-Proben aus dem ersten Trimester einer Schwangerschaft und Primär-Zellen aus Blutgefäßen eines Spende-Körpers ein sehr menschennahes Model auf, mit dem wir anschließend die Wanderung von Trophoblast-Zellen untersuchen.“

Simulation des Blutflusses in der Plazenta aus mathematischer Sicht

Dass die Forschung im Bereich Frauengesundheit und Geburtsheilkunde eine viel zentralere Rolle einnehmen sollte, findet auch Stefan Posch, der am Institut für Thermodynamik und Nachhaltige Antriebssysteme das CD-Labor für Physikbasiertes maschinelles Lernen in industriellen Anwendungen leitet. „Medizinische Fragestellungen interessieren mich schon sehr lange. Beim Durchsehen von Arbeiten der Abteilung für Frauenheilkunde und Geburtshilfe rund um Christian Wadsack und Hanna Allerkamp an der Medizinischen Universität Graz ist mir dann aufgefallen, dass dort mit denselben Gleichungen, derselben Mathematik gearbeitet wird wie bei uns“, erzählt er. Eine überraschende Erkenntnis, die in einer Zusammenarbeit mit Malte Rolf vom Institut für Biomechanik und einer gemeinsam ausgeschriebenen Masterarbeit gemündet ist. „So wollen wir grundlegendes Know-How in diesem sehr komplexen Feld aufbauen.“

Und komplex ist vor allem die menschliche Plazenta mit ihren feinen Strukturen und dichten Blutgefäßen. „Diese Feinheit in ein Modell zu übersetzen, das belegbare Simulationen möglich macht, ist unheimlich komplex. Ich habe gesehen, dass bisher mit vielen Vereinfachungen gearbeitet werden musste, die nicht gänzlich korrekt sind“, erklärt Posch. Das möchten die Forschenden in fernerer Zukunft ändern. Denn bis dahin ist noch viel Forschungsarbeit zu erledigen, auch wenn „die grundlegende Mathematik hinter einer Simulation eines Motors die gleiche ist wie hinter der menschlichen Plazenta.“