Naturwissenschaftliche und

medizinische Forschung

Die digitale Revolution wird begleitet von der Revolution der Biotechnologie, die

wesentliche Auswirkungen auf Wirtschaft und Gesellschaft hat. Die Anwendungen

der Biotechnologie findet man in der Medizin, Landwirtschaft und Industrie.

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Grundlagen zur

Biotechnologie

Übersicht 1 . Trends biologischer Prozesse 2 . Genom-Editierung 3 . Reglungsbedürftige Synthetische Biologie 4. Bionik 5 . Biologika und Biopharmazie 6. Arzneimittelentwicklung 7 . Gefahren durch die Verschmelzung von künstlicher Intelligenz und Biotechnologie 8. Quellen

1. Trends biologischer Prozesse

Durch immer günstigere und verbesserte Technologien lässt sich die Gesamtheit der Gene und der Proteine von Organismen vollständig erfassen („Omics-Tech- nologien“), was dazu führt, den Zusammenhang von Geno- und Phänotyp bes- ser zu verstehen. Aufgrund der großen Datenmengen kommen den digitalen Infrastrukturen in der Biotechnologie eine erfolgskritische Bedeutung zu. Es bedarf der Verknüp- fung höchst heterogener Daten, zum Beispiel von Omics-Daten Verhaltensdaten von Patienten*innen oder Klimadaten und Bodenparametern, sowie künstlicher Intelligenz um Forschungsprojekte und Anwendungen zu ermöglichen. Mit neuen Verfahren, wird es zunehmend möglich, die Wirkung eines Medikaments bei einem bestimmten Patienten*innen durch Tests vorherzusagen („Compa- nion Diagnostics“). Dadurch wird die Wirksamkeit der Therapien erhöht, bei gleichzeitigen Reduktionen der Nebenwirkungen und Fehlbehandlungen kön- nen so vermieden werden. Durch neue Techniken kann das Erbgut leichter und präziser verändert werden d.h., Gene können gezielt ausgeschaltet, entfernt, hinzugefügt oder ausgetauscht werden. Die Integration von Ansätzen der Ingenieurswissenschaften und der Informatik in die Biologie wird zu einer Veränderung biologischer Systeme („synthetische Biologie“) führen, sodass Mikroorganismen als Plattformorganismen geschaffen werden, die nur mit den zum Leben nötigsten Genen ausgestattet sind. Diese könnten dann im Sinne eines Baukastensystems schnell und flexibel mit be- stimmten genetischen Modulen bestückt werden, um Kraftstoffe, Chemikalien oder Wirkstoffe zu produzieren. Das bedeutende Potenzial der Biotechnologie wird auf der Konvergenz folgen- der Entwicklungen gesehen: Leistungsfähige Analysemethoden, Nutzung digita- ler Voraussetzungen, Infrastrukturen, CRISPR/Cas als mächtiges Werkzeug zur Genom-Editierung. Dieses Zusammenspiel eröffnet Möglichkeiten zur Modifika- tion und perspektivisch auch zum Design lebender Prozesse. Die Analyse von Genen und ganzen Genomen ist heute schnell und kostengüns- tig möglich. Die Sequenzierung des menschlichen Genoms kostet 2020 ca. 1.500 USD und Teilanalysen beim Anbieter 23andMe 99,00 USD. Auch die Leistungs- fähigkeit und Reife der Technologien zur Analyse weiterer Bestandteile des Lebens wie beispielsweise von Proteinen oder Stoffwechselwegen verbessert sich rasant. Hier machen Hochdurchsatzverfahren, die andere Bestandteile und Abläufe lebender Organismen ähnlich detailliert und leistungsfähig wie die Genomics analysieren können, riesige Fortschritte. Hier sind Omics-Technologien für den Ansatz der Systembiologie entscheidend. Dieser Ansatz versucht, bio- logische Systeme und Prozesse quantitativ über einen iterativen Prozess von Experiment, Auswertung, mathematischer Modellierung, Prädiktion und erneu- tem Experiment zur Validierung in ihrer Gesamtheit zu verstehen. Dabei spielen vier Omics-Bereiche eine wesentliche Rolle: • Erfassung epigenetischer Modifikationen im Rahmen der Epigenomics • die Analyse der Genaktivität (Transcriptomics), • die Erfassung der Gesamtheit der Proteine (Proteomics) • die Zwischenprodukte von Stoffwechselwegen (Metabolomics). Daneben existieren weitere Omics-Ansätze, wie die Connectomics. Diese haben das Ziel, das Kommunikationsnetzwerk der Nervenzellen im Gehirn nachzuzeichnen.

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Omics-Technologien Die Untersuchung der molekularen Grundlagen von Krankheiten kann auf unterschiedlichen Ebenen und mit unterschiedlicher Komplexität erolfen. Holistische Analysen werden häufig unter dem Begriff „omics“-Technologien zusammengefasst. Dazu gehören unter anderem die Genomics, Proteonics oder Metabolomics. Quelle: Eberhard Karls Universität Tübingen, Tübingen

Mit dem Begriff Genotyp wird die genetische Zusammensetzung eines Organismus, bzw. die Kombination von Erbanlagen bezeichnet, die hinter einem Merkmal stehen. Unter dem Begriff Phänotyp fasst man die sichtbaren Eigenschaften eines Organismus zusammen, er stellt somit das Erscheinungsbild eines Merkmals dar. Der Phänotyp wird von der Umwelt und vom Genotyp bestimmt.

Die CRISPR/Cas-Methode beruht auf einem bakteriellen Abwehrmechanismus gegen Viren (CRISPR). Die Forscher*innen adaptierten das System und reduzierten es auf zwei Komponenten und zwar auf eine flexibel programmierbare Zielvorrichtung auf RNA-Basis die zu schneidende Stelle im Erbgut vorgibt, und eine molekulare Schere, die Endonuklease Cas9, die den Schnitt vornimmt. Soll ein neues Gen in das Erbgut eingeschleust werden, muss zusätzlich zu diesen beiden Komponenten eine Vorlage des neuen DNA-Abschnitts in die Zielzelle eingebracht werden. Das hoch präzise Verfahren CRISPR/Cas kann alle Arten von Genmodifikationen vornehmen. Das Verfahren ist schnell, günstig und einfach anzuwenden.

2. Genom-Editierung

Neuere Verfahren der Genom-Editierung, zu denen neben Zinkfingernukleasen, Meganukleasen und TALENs, CRISPR/Cas gehört, nehmen gezielte Schnitte des DNA-Strangs an ausgewählten Stellen des Erbguts vor. Die Nutzung zelleigener Reparaturmechanismen (NHEJ und HDR) zur Behebung dieser Schnitte macht es möglich, Gene auszuschalten, zu entfernen, auszutauschen oder hinzuzufü- gen. Große Fortschritte beim Genom-Editierung werden derzeit bei der Reduk- tion von Fehlschnitten („Off-target Cuts“) im Genom erzielt. In der Gentherapie kann Genom-Editierung eingesetzt werden, um angeborene Gendefekte zu heilen. Dabei ist eine Modifikation von Zellen, zum Beispiel des Knochenmarks, außerhalb des Körpers relativ einfach, aber die sichere Anwen- dung der Genom- Editierung im Körper eine bislang ungelöste Herausforderung.

3. Reglungsbedürftige Synthetische

Biologie

Die synthetische Biologie ist ein Forschungsfeld an der Schnittstelle von mole- kularer Biologie, Ingenieurswissenschaften und Informatik. Es werden Denk- weisen der Ingenieurswissenschaft und der Informatik in die Biologie übertragen mit dem Ziel von wesentlicher Veränderung biologischer Systeme, der Kombina- tion mit chemisch synthetisierten Komponenten zur Schaffung neuer Einheiten und der Konstruktion künstlicher Lebewesen. Die moderne industrielle Biotechnologie hat Verfahren der Sequenzierung und der Laborautomatisierung für eine gerichtete Evolution von Mikroorganismen- stämmen, zum Beispiel zur Erzeugung von Proteinen, Enzymen und Nuklein- säuren. Im Juni 2016 gab es den Vorschlag des „Human Genome Project – Write“ (HGP- write): die Synthese eines kompletten menschlichen Genoms. Man erhofft sich davon einen Impuls für die synthetische Biologie.

4. Bionik

In der Zukunft wird die Bionik (Übertragen von Phänomenen der Natur auf die Technik ) und verwandte Technologien Menschen bionische Implantate und neurosensorische Adapter einsetzen. Damit können Menschen die ihr Gehör oder Sehvermögen auf Organebene vollständig verloren haben wieder sehen und hören.

5. Biologika und Biopharmazie

Biologika sind Arzneistoffe, die mit Mitteln der Biotechnologie und gentechnisch veränderten Organismen hergestellt werden. Abzugrenzen hiervon ist das Gebiet der Biopharmazie. Sie sollen gezielt in die Vorgänge des Körpers eingreifen. Eingebettete Recheneinheiten, die einen Teil des neuronalen Netzes im Gehirn simulieren, werden Patienten helfen nach einem Trauma ihre normalen Gehirn- aktivitäten wieder aufzunehmen. Auf ähnliche Weise können Stammzellen vor der Verabreichung vorprogrammiert werden, um sicherzustellen, dass sie sich in die gewünschten Gewebe oder Organe implementieren. Dies ermöglicht die Reparatur und Regeneration auf zellulärer Ebene.

6. Arzneimittelentwicklung

In der Arzneimittelentwicklung werden Biologika, wie Impfstoffe auf DNA-Basis oder monoklonale Antikörper an Bedeutung gewinnen. Die Produktion von Bio- pharmazeutika, in Form von Gewebekulturen und transgenen Organismen, lie- fert medizinische Reagenzien, die früher nur von menschlichen Material bezo- gen werden konnten. Die bisherige, auf kleinen Molekülen basierende Medizin wird weiterhin Bedeutung haben. Die industrielle Anwendung von Quanten- computern wird das Screening von Kandidaten für kleine Moleküle durch ein computersimuliertes Design ersetzen. Dadurch wird die Phase I der Arzneimittel- F&E-Prozesse stark verkürzt.

7. Gefahren durch Verschmelzung

von künstlicher Intelligenz und

Biotechnologie

Yuval Noah Harari, Israelischer Historiker und Bestseller-Autor beschreibt in sei- nem Buch „Homo Deus“ wie durch Verschmelzung von künstlicher Intelligenz und Biotechnologie die natürliche Selektion ersetzt werden kann. Der Homo sapiens, wie er bisher existiert, kann durch die ungeregelte Nutzung der Biotech- nologien in diesem Jahrhundert verschwinden. Die Möglichkeit das wir in naher Zukunft Körper neu designen können, wird auch zu einer neuen Selektion von Menschen führen. Ein gutes Gedächtnis oder Intel- ligenz können nach Belieben kreiert werden. Die Geschichte hat gezeigt, dass ohne gesetzliche Regelungen radikalere Schritt nicht aufzuhalten sind. Das bedeu- tet, dass organische und künstliche Teile kombiniert werden und so Cyborgs er- schaffen werden können. Zahlreiche Wissenschaftler arbeiten gerade daran, Gehirn-Computer-Schnittstellen zu erzeugen. Damit könnten künstliche Glied- maßen und Sensoren in unseren Körper integrieren werden, die vom Gehirn wie unsere natürlichen Gliedmaßen gesteuert werden. Computerkonzerne wie Google, Apple oder Baidu in China verwandeln sich zunehmend in Biotechunternehmen. Erforscht werden u.a. neue Technologien wie Nanoroboter, die kleiner sind als Blutzellen. Diese sollen millionenfach in die Blutbahn injiziert werden, um dort die Organe zu überwachen sowie um Krank- heiten zu entdecken und Krebszellen zu attackieren. So ein bionisches Immun- system ließe sich stetig nachrüsten. Viren und Bakterien wären so zu kontrol- lieren. Und es steht außer Frage, dass ohne Regulierung in weiteren Schritten sogar komplett künstliche Lebensformen erschaffen werden könnten. "Einer der Gründe, warum wir diese gefährlichen Techno- logien regulieren müssen, ist der, dass wir die Menschen schützen müssen - vor Hackern, Ausbeutung und Abhän- gigkeit." Yuval Noah Harari, Israelischer Historiker

intakte DNA Nuklease schneidet DNA an vorbestimmter Stelle DNA mit Doppelstrangbruch Reparatur NHEJ +DNA mit Mutation + zsätzliche DNA homologe Reparatur zielgerichtete Mutation zielgerichtete Einfügenvon DNA Inaktivierung des Gens von Basenpaaren Deletion Einfügen v v

Grafik zur anschaulichen Erklärung von Genome Editing Von Gerhart Ryffel - Eigenes Werk, CC BY-SA 4.0, Wikimedia

Der erste Ausdruck des menschlichen Genoms visualisiert als Buchserie, ausgestellt im 'Medicine Now' Raum (Wellcome Collection, London). Die Information der 3,4 Mrd. Basenpaare der DNA wurde überführt in mehr als 100 Buchbände, jedes 1000 Seiten, in kleinstmöglicher Schriftgröße. Von Russ London auf Wikipedia auf Englisch, CC BY-SA 3.0, Wikimedia

Die bionische Hand soll Anweisungen von Sensoren erhalten, die die Bewegung der Muskeln im Arm der Person erfassen. Diese Anweisungen werden verarbeitet und dann auf die 337 mechanischen Teile gerichtet, die in dieser bionischen Hand vorhanden sind, Teile, die schließlich natürliche menschliche Bewegungen nachahmen. Die erste Version der bebionischen Hand wurde im Mai 2010 auf dem Weltkongress und der Messe Orthopädie & Reha-Technik in Leipzig vorgestellt. Quelle: Wikipedia

IBM zeigt ein Modell eines Quantencomputers in seinem Pavillon auf der CeBIT 2018, Hannover, Deutschland. Die CeBIT ist die weltweit größte Fachmesse für Informationstechnologie.

Die Zukunft der Menschheit | Yuval Noah Harari

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Grundlagen zur

Biotechnologie

Naturwissenschaftliche und medizinische Forschung Die digitale Revolution wird begleitet von der Revolution der Biotechnologie, die wesentliche Auswirkungen auf Wirtschaft und Gesellschaft hat. Die Anwendungen der Biotechnologie findet man in der Medizin, Landwirtschaft und Industrie.

1. Trends biologischer

Prozesse

Durch immer günstigere und verbesserte Techno- logien lässt sich die Gesamtheit der Gene und der Proteine von Organismen vollständig erfassen („Omics-Technologien“)  , was dazu führt, den Zusammenhang von Geno- und Phänotyp  besser zu verstehen. Aufgrund der großen Datenmengen kommen den digitalen Infrastrukturen in der Biotechnologie eine erfolgskritische Bedeutung zu. Es bedarf der Ver- knüpfung höchst heterogener Daten, zum Beispiel von Omics-Daten Verhaltensdaten von Patienten*- innen oder Klimadaten und Bodenparametern, sowie künstlicher Intelligenz um Forschungsprojekte und Anwendungen zu ermöglichen. Mit neuen Verfahren, wird es zunehmend möglich, die Wirkung eines Medikaments bei einem bestimmten Patienten*- innen durch Tests vorherzusagen („Companion Diagnostics“). Dadurch wird die Wirksamkeit der Therapien erhöht, bei gleichzeitigen Reduktionen der Nebenwirkungen und Fehlbehandlungen kön- nen so vermieden werden. Durch neue Techniken kann das Erbgut leichter und präziser verändert werden d.h., Gene können gezielt ausgeschaltet, entfernt, hinzugefügt oder ausgetauscht werden. Die Integration von Ansätzen der Ingenieurswissen- schaften und der Informatik in die Biologie wird zu einer Veränderung biologischer Systeme („syntheti- sche Biologie“) führen, sodass Mikroorganismen als Plattformorganismen geschaffen werden, die nur mit den zum Leben nötigsten Genen ausgestattet sind. Diese könnten dann im Sinne eines Baukasten- systems schnell und flexibel mit bestimmten geneti- schen Modulen bestückt werden, um Kraftstoffe, Chemikalien oder Wirkstoffe zu produzieren. Das bedeutende Potenzial der Biotechnologie wird auf der Konvergenz folgender Entwicklungen gese- hen: Leistungsfähige Analysemethoden, Nutzung digitaler Voraussetzungen, Infrastrukturen, CRISPR / Cas  als mächtiges Werkzeug zur Genom- Editierung. Dieses Zusammenspiel eröffnet Möglichkeiten zur Modifikation und perspektivisch auch zum Design lebender Prozesse. Die Analyse von Genen und ganzen Genomen ist heute schnell und kostengünstig möglich. Die Se- quenzierung des menschlichen Genoms kostet 2020 ca. 1.500 USD und Teilanalysen beim Anbieter 23andMe 99,00 USD. Auch die Leistungsfähigkeit und Reife der Technologien zur Analyse weiterer Bestandteile des Lebens wie beispielsweise von Pro- teinen oder Stoffwechselwegen verbessert sich ra- sant. Hier machen Hochdurchsatzverfahren, die andere Bestandteile und Abläufe lebender Organis- men ähnlich detailliert und leistungsfähig wie die Genomics analysieren können, riesige Fortschritte. Hier sind Omics-Technologien für den Ansatz der Systembiologie entscheidend. Dieser Ansatz ver- sucht, biologische Systeme und Prozesse quantita- tiv über einen iterativen Prozess von Experiment, Auswertung, mathematischer Modellierung, Prädik- tion und erneutem Experiment zur Validierung in ihrer Gesamtheit zu verstehen. Dabei spielen vier Omics-Bereiche eine wesentliche Rolle: • Erfassung epigenetischer Modifikationen im Rahmen der Epigenomics • die Analyse der Genaktivität (Transcriptomics), • die Erfassung der Gesamtheit der Proteine (Proteomics) • die Zwischenprodukte von Stoffwechselwegen (Metabolomics). Daneben existieren weitere Omics-Ansätze, wie die Connectomics. Diese haben das Ziel, das Kommuni- kationsnetzwerk der Nervenzellen im Gehirn nach- zuzeichnen.

Empfehlen:    Social Media kann süchtig und krank machen 

2. Genom-Editierung

Neuere Verfahren der Genom-Editierung, zu denen neben Zinkfingernukleasen, Meganukleasen und TALENs, CRISPR/Cas gehört, nehmen gezielte Schnitte des DNA-Strangs an ausgewählten Stellen des Erbguts vor. Die Nutzung zelleigener Repara- turmechanismen (NHEJ und HDR) zur Behebung dieser Schnitte macht es möglich, Gene auszuschal- ten, zu entfernen, auszutauschen oder hinzuzufü- gen. Große Fortschritte beim Genom-Editierung werden derzeit bei der Reduktion von Fehlschnitten („Off-target Cuts“) im Genom erzielt. In der Gentherapie kann Genom-Editierung einge- setzt werden, um angeborene Gendefekte zu hei- len. Dabei ist eine Modifikation von Zellen, zum Beispiel des Knochenmarks, außerhalb des Körpers relativ einfach, aber die sichere Anwendung der Genom- Editierung im Körper eine bislang ungelöste Herausforderung.

3. Reglungsbedürftige

Synthetische Biologie

Die synthetische Biologie ist ein Forschungsfeld an der Schnittstelle von molekularer Biologie, Inge- nieurswissenschaften und Informatik. Es werden Denkweisen der Ingenieurswissenschaft und der Informatik in die Biologie übertragen mit dem Ziel von wesentlicher Veränderung biologischer Syste- me, der Kombination mit chemisch synthetisierten Komponenten zur Schaffung neuer Einheiten und der Konstruktion künstlicher Lebewesen. Die moderne industrielle Biotechnologie hat Verfah- ren der Sequenzierung und der Laborautomatisie- rung für eine gerichtete Evolution von Mikroorga- nismenstämmen, zum Beispiel zur Erzeugung von Proteinen, Enzymen und Nukleinsäuren. Im Juni 2016 gab es den Vorschlag des „Human Genome Project – Write“ (HGP-write): die Synthese eines kompletten menschlichen Genoms. Man erhofft sich davon einen Impuls für die synthe- tische Biologie.

4. Bionik

In der Zukunft wird die Bionik (Übertragen von Phä- nomenen der Natur auf die Technik ) und verwandte Technologien Menschen bionische Implantate und neurosensorische Adapter einsetzen. Damit können Menschen die ihr Gehör oder Sehvermögen auf Or- ganebene vollständig verloren haben wieder sehen und hören.

5. Biologika und

Biopharmazie

Biologika sind Arzneistoffe, die mit Mitteln der Bio- technologie und gentechnisch veränderten Orga- nismen hergestellt werden. Abzugrenzen hiervon ist das Gebiet der Biopharmazie. Sie sollen gezielt in die Vorgänge des Körpers eingreifen. Eingebettete Recheneinheiten, die einen Teil des neuronalen Netzes im Gehirn simulieren, werden Patienten helfen nach einem Trauma ihre normalen Gehirnaktivitäten wieder aufzunehmen. Auf ähnliche Weise können Stammzellen vor der Verabreichung vorprogrammiert werden, um sicherzustellen, dass sie sich in die gewünschten Gewebe oder Organe implementieren. Dies ermöglicht die Reparatur und Regeneration auf zellulärer Ebene.

6. Arzneimittelentwicklung

In der Arzneimittelentwicklung werden Biologika, wie Impfstoffe auf DNA-Basis oder monoklonale Antikörper an Bedeutung gewinnen. Die Produktion von Biopharmazeutika, in Form von Gewebekulturen und transgenen Organismen, liefert medizinische Reagenzien, die früher nur von menschlichen Mate- rial bezogen werden konnten. Die bisherige, auf kleinen Molekülen basierende Medizin wird weiter- hin Bedeutung haben. Die industrielle Anwendung von Quantencomputern wird das Screening von Kandidaten für kleine Moleküle durch ein computer- simuliertes Design ersetzen. Dadurch wird die Phase I der Arzneimittel-F&E-Prozesse stark verkürzt.

7. Gefahren durch

Verschmelzung von

künstlicher Intelligenz

und Biotechnologie

Yuval Noah Harari, Israelischer Historiker und Best- seller-Autor beschreibt in seinem Buch „Homo Deus“ wie durch Verschmelzung von künstlicher Intelligenz und Biotechnologie die natürliche Selek- tion ersetzt werden kann. Der Homo sapiens, wie er bisher existiert, kann durch die ungeregelte Nutzung der Biotechnologien in diesem Jahrhundert ver- schwinden. Die Möglichkeit das wir in naher Zukunft Körper neu designen können, wird auch zu einer neuen Selek- tion von Menschen führen. Ein gutes Gedächtnis oder Intelligenz können nach Belieben kreiert wer- den. Die Geschichte hat gezeigt, dass ohne gesetz- liche Regelungen radikalere Schritt nicht aufzuhal- ten sind. Das bedeutet, dass organische und künst- liche Teile kombiniert werden und so Cyborgs er- schaffen werden können. Zahlreiche Wissenschaft- ler arbeiten gerade daran, Gehirn-Computer-Schnitt- stellen zu erzeugen. Damit könnten künstliche Gliedmaßen und Sensoren in unseren Körper inte- grieren werden, die vom Gehirn wie unsere natür- lichen Gliedmaßen gesteuert werden. Computerkonzerne wie Google, Apple oder Baidu in China verwandeln sich zunehmend in Biotechunter- nehmen. Erforscht werden u.a. neue Technologien wie Nanoroboter, die kleiner sind als Blutzellen. Diese sollen millionenfach in die Blutbahn injiziert werden, um dort die Organe zu überwachen sowie um Krankheiten zu entdecken und Krebszellen zu attackieren. So ein bionisches Immunsystem ließe sich stetig nachrüsten. Viren und Bakterien wären so zu kontrollieren. Und es steht außer Frage, dass ohne Regulierung in weiteren Schritten sogar kom- plett künstliche Lebensformen erschaffen werden könnten. "Einer der Gründe, warum wir diese gefähr- lichen Technologien regulieren müssen, ist der, dass wir die Menschen schützen müssen - vor Hackern, Ausbeutung und Abhängig- keit." Yuval Noah Harari, Israelischer Historiker

Grafik zur anschaulichen Erklärung von Genome Editing Von Gerhart Ryffel - Eigenes Werk, CC BY-SA 4.0, Wikimedia

Die bionische Hand soll Anweisungen von Sensoren erhalten, die die Bewegung der Muskeln im Arm der Person erfassen. Diese Anwei- sungen werden verarbeitet und dann auf die 337 mechanischen Teile gerichtet, die in dieser bionischen Hand vorhanden sind, Teile, die schließlich natürliche menschliche Bewegungen nachahmen. Die erste Version der bebionischen Hand wurde im Mai 2010 auf dem Weltkon- gress und der Messe Orthopädie & Reha-Technik in Leipzig vorgestellt. Quelle: Wikipedia

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