Das Patent eröffnet neue Wege der Forschung
Der Physiologe Thomas Haller versteht sich als Heimwerker, als Amateur im besten Sinne des Wortes. Gemeinsam mit dem jungen Anästhesisten Simon Woyke und dem Biologen Norbert Mair baute er in eigenen Werkstätten ein Gerät, das einem ganzen Forschungsgebiet neues Leben einhauchen könnte: Das Trio entwickelte eine Methode, um die Sauerstoffbindungskurve effektiv zu messen.
Die Sauerstoffbindungskurve gibt Auskunft darüber, wie Hämoglobin Sauerstoff aus dem Blut über die Lunge bindet und wie schnell oder langsam es ihn an das Gewebe abgibt. Dies wiederum lässt Rückschlüsse auf die körperliche Leistungsfähigkeit zu. Denn: Für eine optimale Gewebefunktion ist eine ausreichende Sauerstoffversorgung notwendig. Mit den Informationen zu den Sauerstoffbindungskurven konnten viele offene Forschungsfragen beantwortet werden. Bisher fehlt es jedoch an Methoden, um sie zuverlässig und effizient zu messen.
In der Folge ließ die rege Forschungstätigkeit auf diesem Gebiet in den 1970er und 1980er Jahren zusehends nach. Das wollten Simon Woyke, Thomas Haller und Norbert Mair von der Medizinischen Universität Innsbruck ändern. „Die Sauerstoffbindungskurve ist seit 1905 bekannt. Sie ist eines der wichtigsten Themen, aber auch eines der am meisten vernachlässigten in der Medizin. Wir wissen zu wenig darüber, wie man die Hämoglobin-Sauerstoffaufnahme und Sauerstoffversorgung des Gewebes und die Folgen beeinflussen kann“, sagt Haller, der die Forschungsgruppe „Lungenzellphysiologie“ leitet. und perfektioniert, bis die ersten Prototypen endlich funktionierten: „Ziel war es, mit den im Labor vorhandenen Geräten und Materialien zu arbeiten. Dadurch konnten wir eine relativ kostengünstige Methode entwickeln, die nun auch von anderen Forschungsgruppen kopiert oder als Ergänzung etabliert und eingesetzt werden kann“, erklärt Woyke. ), wo Woyke ein Jahr seiner Promotion am Institut für Alpine Notfallmedizin bei Hermann Brugger absolvierte, meldete die Erfindung für das weltweite Patentverfahren an. Das Ziel der Wissenschaftler: Sie wollen die Forschung zur Sauerstoffbindungskurve wiederbeleben und Forscher motivieren — innerhalb und außerhalb von MedUni und Universitätskliniken — die Möglichkeiten ihres Geräts und ihrer Methode für experimentelle Studien zu nutzen.
Titel: Simon Woyke, Norbert Mair und Thomas Haller (von links nach rechts) haben gemeinsam ein Gerät entwickelt, mit dem erstmals die Sauerstoffbindungskurve effizient gemessen werden kann.
Angefangen hat alles 2014 mit einer Höhenphysiologie-Konferenz, an der der damalige Student Simon Woyke mit Thomas Haller vom Institut für Physiologie (Leitung: Michaela Kress) teilnahm. 2017 trat Woyke, der heute als Assistenzarzt an der Universitätsklinik für Anästhesie und Intensivmedizin (Direktorin: Barbara Sinner) tätig ist, mit seinem Forschungsprojekt an Haller heran. Ich wollte dem sogenannten Triple-H-Syndrom (Hypoxie, Hyperkapnie, Unterkühlung) auf den Grund gehen, das im Rahmen einer Lawinenverschüttung auftreten kann. Die Sauerstoffbindungskurve kann eine wichtige Rolle beim Auftreten von Triple-H spielen. Da das einzige bis dahin verfügbare Messgerät jedoch sehr teuer und zweitens aufgrund seiner geringen Leistung von nur wenigen Proben pro Tag für groß angelegte Projektionen und Studien ungeeignet war, widmeten er und Haller sich dem Eigenbau Gerät nach eingehendem Studium der Literatur. Wertvolle Unterstützung erhielten sie von den internen Werkstätten des Instituts für Physiologie mit Martin Streicher, der die Feinmechanik-Werkstatt leitet, und Mario Hirsch, dem Leiter der Elektronik-Werkstatt. Die verwendeten Materialien sind so unkonventionell wie einfach und reichen von Hightech-Materialien bis hin zu Rohren, die aus dem Nachbargebäude des Lehr- und Lerngebäudes Fritz-Pregl-Straße 3 gefallen sind.
„2,3-Bisphosphoglycerat (2,3-BPG) ist einer der wichtigsten Einflussfaktoren, die für die Interpretation der Sauerstoffbindung benötigt werden, und auch hier fehlt es bisher an brauchbaren Methoden“, erklärt Mair. Eine vielversprechende Zusammenarbeit entstand mit Herbert Oberacher (Core Facility Metabolomics am Institut für Rechtsmedizin), der eine chromatographische massenspektrometrische Methode zur Quantifizierung von 2,3-BPG validieren und etablieren konnte.
Die von Norbert Mair vorangetriebene kontinuierliche Verbesserungsarbeit hat zu einem benutzerfreundlichen, kostengünstigen Add-On geführt, mit dem herkömmliche Plattenlesegeräte, die in fast jedem medizinischen Labor zu finden sind, aufgerüstet werden können. Mit einer Ausbeute von bis zu 1000 Proben pro Tag oder 92 pro Rasse ist es auch möglich, die Sauerstoffbindungskurven großer Patientengruppen aufzunehmen. Anwendungsgebiete in der Forschung fielen den drei Wissenschaftlern genug ein. Sie reichen von Genderfragen über die Forschung zu Covid-19 (mangelnde Sauerstoffaufnahme in die Lunge) bis hin zu pharmakologischen Tests. Mit der Methode könnten beispielsweise die Auswirkungen einer Chemotherapie auf die Sauerstoffbindungsfähigkeit von Zellen untersucht oder Medikamente identifiziert werden, die die Sauerstoffbindungskurve und damit die Leistungsfähigkeit beeinflussen – Stichwort: Doping. Aktuell werden Projekte in Kooperation mit der IV. Universitätsklinik für Innere Medizin (Nephrologie, Dialyse), dem Renal Research Institute in New York, dem Alpenzoo Innsbruck, dem Eurac Research Institute of Alpine Emergency Medicine in Bozen und der Universitätsklinik für Anästhesie durchgeführt Intensivmedizin.
(Innsbruck, 21.07.2022, Text: T. Mair, Fotos: MUI / Institut für Physiologie, Video: D. Bullock)
Forschungsarbeit: Woyke, S., Ströhle M., Brugger H., Strapazzon G., Gatterer H., Mair N., Haller T.: „High-Performance-Bestimmung von Sauerstoff-Dissoziationskurven in einem Mikroplatten-Reader – Ein neuer quantitativer Ansatz“, in: Physiological Reports, August 2021, DOI:
Weiterführende Links: Patentanmeldung EURAC Forschungsbericht „Patentlösung zur Messung der Sauerstoffbindungskurve“ Medienbericht „Auf der Spur einer Kurve“ (TopTirol # 33 / Juli 2022, S.117f.)