Wie können Medikamente künftig sicher und gezielt ins Gehirn gelangen – ohne invasive Eingriffe und mit möglichst wenigen Nebenwirkungen? Diese Frage steht im Zentrum der Forschung von Romain Topalian, Doktorand an der Hochschule Biberach (HBC) im europäischen Forschungsprojekt Bio2Brain und zugleich Lehrbeauftragter. Seine Arbeit verbindet modernste Biotechnologie mit künstlicher Intelligenz – und findet ihren Weg direkt aus der Forschung in den Hörsaal.

Seit rund fünf Jahren arbeitet der Biochemiker an seinem Promotionsprojekt, das sich inzwischen in der Abschlussphase befindet. Rückblickend beschreibt Topalian die intensive Forschungszeit als prägend: „Es gibt zwar immer einen Plan – aber der geht nie auf“, lacht er. „Man lernt, flexibel zu bleiben, Lösungen zu finden und an sich selbst zu wachsen. Für mich war diese Entscheidung genau richtig.“ Betreut wird seine Doktorarbeit von Prof. Dr. Chrystelle Mavoungou-Pfäffle.

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Ein neuer Weg zur Behandlung von Erkrankungen des Nervensystems

Das übergeordnete Ziel des Projekts Bio2Brain ist ein grundlegender Wandel in der Therapie von Erkrankungen des zentralen Nervensystems wie Multiple Sklerose, Alzheimer oder Parkinson. Bislang werden viele Wirkstoffe über den Blutkreislauf verabreicht – ein Umweg, der durch die sogenannte Blut-Hirn-Schranke stark begrenzt wird.

Genau hier setzt Bio2Brain an: Statt Medikamente über Tabletten oder invasive Injektionen zuzuführen, erforscht das internationale Netzwerk die intranasale Wirkstoffabgabe. Dabei gelangen Medikamente über die Nase direkt ins Gehirn – ein Ansatz, der schonender, besser kontrollierbar und potenziell wirksamer ist.

Safe-by-Design: Sicherheit von Anfang an mitgedacht

Innerhalb dieses Netzwerks verantwortet Romain Topalian das Teilprojekt „Safe-by-Design“. Der Fokus liegt dabei nicht nur auf der Effizienz, sondern vor allem auf der Sicherheit neuer Arzneimittelabgabesysteme. „Medikamente dürfen das empfindliche Nasengewebe oder die Membran zwischen Nase und Gehirn keinesfalls schädigen“, erklärt Topalian.

Mann arbeitet im labor
Mann arbeitet im labor

Um dieses Ziel zu erreichen, entwickelt er eine datenbasierte Rechenplattform, mit der sich potenzielle Risiken frühzeitig erkennen lassen. Die Grundlage bilden 3D-biogedruckte Gewebemodelle sowie umfangreiche Datensätze zur Wechselwirkung zwischen Wirkstoff, Gewebe und Trägersystem.

Künstliche Intelligenz als Schlüssel zur Innovation

Eine zentrale Rolle spielt dabei die künstliche Intelligenz. Mithilfe selbst entwickelter KI-Modellen analysiert Topalian vier unterschiedliche Gewebearten der Nase, identifiziert kritische Parameter und optimiert das Design der Wirkstoffabgabe. Die KI hilft zudem, Versuchsreihen zu reduzieren, Prozesse effizienter zu gestalten und komplexe Datenmengen gezielt auszuwerten.

Bemerkenswert ist dabei sein persönlicher Weg: Programmieren gehörte ursprünglich nicht zu seinem Fachprofil. „KI war zu Beginn des Projekts noch ein neues Thema – und es war nicht einfach, andere von ihrem Potenzial zu überzeugen“, erinnert er sich. Durch ein Zertifikatsstudium an der Universität Bern und viel Eigeninitiative eignete er sich die nötigen Kompetenzen während der Promotion selbst an. Heute ist für ihn klar: „KI ist die Zukunft – auch und gerade in der Biotechnologie.“ Dass Biotechnologische Prozesse und Plattformtechnologien in der Biotechnologie mithilfe von KI-Tools schneller und vorausschauend vorangetrieben und validiert werden können, sieht auch seine Doktormutter Chrystelle Mavoungou-Pfäffle als Benefit in der Zukunft. „Es ist außerdem von großem Vorteil, wenn Surrogates sowie digitale Zwillinge als Referenzen entwickelt und eingesetzt werden.“

Forschung mit Praxisnähe und Verantwortung

Die experimentellen Untersuchungen erfolgen praxisnah und verantwortungsvoll. So werden für die Forschung Schweineköpfe aus Schlachtabfällen verwendet, da Schweinegewebe dem menschlichen sehr ähnlich ist. Eine enge Kooperation besteht außerdem mit dem Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB), das unter anderem die Wirkstoffformulierungen bereitstellt.

Diese enge Verzahnung von Wissenschaft, Technologie und Industrie ist ein zentrales Merkmal des Bio2Brain-Netzwerks, das im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen der EU gefördert wird. Insgesamt arbeiten 13 Doktorandinnen und Doktoranden aus ganz Europa in einem Verbund aus 17 Partnerinstitutionen zusammen.

Forschung, die in der Lehre ankommt

„Romains gewonnenen Qualifikationen und Erfahrungen im KI-Bereich nutzen wir nun in der konsekutiven Lehre und in der Weiterbildung“, berichtet Mavoungou-Pfäffle. Denn parallel zu seiner Forschung bringt Topalian seine Expertise jetzt als Lehrbeauftragter an der Hochschule Biberach ein. In den Bachelor- und Masterstudiengängen Biotechnologie sowie in der Einführung in die Künstliche Intelligenz vermittelt er Studierenden aktuelle Forschungsthemen aus erster Hand.

Sein eigener akademischer Weg – vom Bachelorstudium in Versailles über den Master in Paris mit Doppelabschluss in Braunschweig – ist international geprägt. Dass er heute an der HBC lehrt, sieht er als ideale Ergänzung: Die praxisorientierte Ausrichtung der Hochschule und die Offenheit für neue Technologien spiegelten genau das wider, wofür er selbst stehe. Die HBC möchte diesen Pfad weitergehen, um neuen Angebote zu schaffen, und mit Partner*innen auf nationalen und internationalen Ebenen zu kooperieren. „Wir freuen uns auf die Weiterentwicklung von ML- und Deep Learning-Tools in unseren Ingenieur-technisch geprägten Fächern und Romains Arbeit hilft uns sehr dabei. Sie ergänzt sich wunderbar mit anderen Akteur*innen der HBC, die auch in diesem Bereich in der Forschung, Lehre und Weiterbildung aktiv sind“, blickt Mavoungou-Pfäffle in die Zukunft.