Validierungsprojekte

Die Validierung ist eine der kritischsten Phasen im Technologietransfer. In diesem Schritt wird die Weiterentwicklung neuer Technologien in anwendbare Produkte und Dienstleistungen vorangetrieben. Dazu gehört, die vielversprechendsten Anwendungsfelder zu identifizieren und funktionsfähige Demonstratoren zu entwickeln, eine Produktion außerhalb des Labormaßstabs voranzutreiben oder (prä)klinische Studien durchzuführen.

Mit dem Helmholtz-Validierungsfonds (HVF) werden seit 2011 Vorhaben unterstützt, die die Lücke zwischen Forschungsergebnissen und deren marktfähigen Anwendungen angehen. Jedes Jahr werden ca. drei bis sechs Projekte ausgewählt. Zwischen 2011 und 2017 sind so 34 Vorhaben mit bis zu 2 Mio. € zur Förderung ausgewählt worden.

2018 sind in einer gemeinsamen Initiative mit Fraunhofer und der Hochschulmedizin vier weitere Projekte im Rahmen der Proof-of-Concept-Initiative (PoC) hinzugekommen, die die Synergiepotentiale bei der Validierung im lebenswissenschaftlichen Bereich nutzen und bis zum frühen klinischen Wirkungsnachweis geführt werden sollen.

Laufende Projekte

Das System soll die Piloten von Tauchrobotern mit einer dreidimensionalen, hochaufgelösten Vollrundumsicht versorgen. Es basiert auf der Fusion von Sensordaten aus unterschiedlichen Kamerasystemen, Laserabtastung und einer neuartigen Beleuchtungstechnik auf Basis patentierter Unterwasser-LED-Technologie.

Das Projekt will die Anwendbarkeit eines Indoor‐Positioning-Systems in der Bewegungsanalyse nachweisen. Die Technologie basiert auf der kontinuierlichen Phasenanalyse von hochfrequenten Funksignalen. Diese ermöglicht eine zeitlich und räumlich hochpräzise Positions- und Bewegungsbestimmung, mit der sich Objekte im Millisekundentakt auf den Millimeter genau lokalisieren lassen. Im Gegensatz zu existierenden Systemen erlaubt die Technologie die gleichzeitige Verfolgung von beliebig vielen Objekten innerhalb von Gebäuden oder auch im Freien. Das System könnte in der medizinischen Diagnostik oder der Rehabilitation Anwendung finden. Ein weiterer möglicher Einsatzbereich ist die Indoor-Navigation etwa von Robotern.

Mit dem Vorhaben soll ein neuer Impfstoff zum Schutz vor humanen Papillomaviren klinisch geprüft werden. Diese Viren verursachen unter anderem Gebärmutterhalskrebs. Der neue Impfstoff soll thermostabil sein. Damit wäre eine Kühlkette nicht mehr erforderlich. Gerade in Ländern, in denen die Infrastruktur für gekühlte Transporte unzureichend ist, würde dies eine deutliche Steigerung der Impfraten ermöglichen.

Aufbauend auf einer neuen Infrarottechnologie soll ein tauchfähiger Sensor für den Unterwassereinsatz entwickelt werden, der ein breites Spektrum von gelösten Verbindungen gleichzeitig nachweisen und quantifizieren kann. Erste Labortests konnten zeigen, dass Einzelgasmessungen im niedrigen Konzentrationsbereich bereits möglich sind. Mögliche Einsatzbereiche wären die Neuerkundung von Gas- und Ölfeldern sowie die Überwachung der Dichtigkeit von Pipelines. Ein weiterer Einsatzbereich in der Umwelt- und Klimaforschung könnte das Monitoring von Ozeanen und Binnengewässern sein.

Um Lichtsignalanlagen effizient zu steuern und den Verkehr möglichst umweltschonend zu bewältigen, nutzen Forscherinnen und Forscher in diesem Projekt zwei neue Steuerungsansätze, die sog. VITAL-Verfahren. Diese nutzen neuartigen Informations- und Kommunikationstechnologien in Form von bisher nicht verwendeten Steuerungskenngrößen, innovativen Techniken der Datenübertragung sowie Situationsprognosen für eine verbesserte Verkehrssteuerung. In Vorgängerprojekten ließen sich an zwei Testkreuzungen in Braunschweig und Halle (Saale) mittlere Einsparungen von 15% - 33 % bei den Wartezeiten der Verkehrsteilnehmer und einem damit einhergehenden, volkswirtschaftlichen Investitionskosten-Nutzen-Verhältnis zwischen 3 und 13 nachweisen.

  • Frankfurter Fraunhofer-Projektgruppe Translationale Medizin und Pharmakologie TMP, Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME
  • Goethe-Universität Frankfurt am Main
  • Deutsches Konsortium für Translationale Krebsforschung (DKTK) am Universitätsklinikum Frankfurt – Partnerstandort des Deutschen Krebsforschungszentrums (DKFZ)

Vor mehr als 25 Jahren kam eine neues Krebsmedikament auf den Markt, das heute aus der Krebstherapie nicht mehr wegzudenken ist: Paclitaxel. Heute wird es bei der Behandlung verschiedenster Krebsarten wie Brust-, Prostata- oder Eierstockkrebs eingesetzt. Doch der Wirkstoff kann auch unangenehme Nebenwirkungen haben: zum Beispiel so genannte Neuropathien, die sich durch ein Kribbeln oder Taubheitsgefühl in den Fingern und Zehen äußern können. Bislang gibt es kein Medikament, das diese Nebenwirkungen verringern könnte.

Ein möglicher Kandidat hierfür ist allerdings der Wirkstoff Telmisartan. Er wurde bereits erfolgreich in präklinischen Studien getestet. Die Studie soll die Wirksamkeit und Sicherheit des Wirkstoffs bei der Behandlung von Patientinnen mit Eierstock- oder Brustkrebs in einer Phase II-Studie untersuchen.

  • Justus-Liebig-Universität Gießen
  • Helmholtz Zentrum München - Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt
  • Fraunhofer-Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin ITEM

Müde, kurzatmig und generell wenig körperlich belastbar: Das sind die Symptome von Patienten mit Lungenhochdruck (Pulmonale Hypertonie). Charakteristisch für die Krankheit sind sich zunehmend verengende Lungenarterien. Die rechte Herzkammer versucht, die daraus resultierende schlechtere Durchblutung mit einer stärkeren Pumpleistung zu kompensieren. Die chronische Überlastung des Herzens schädigt dieses im Laufe der Zeit. Während es für die schwere Form der Erkrankung noch vor wenigen Jahren außer der Lungentransplantation keine Behandlungsmöglichkeit gab, können die meisten Patienten heute mit verschiedenen Medikamenten behandelt werden. Diese entlasten das Herz jedoch nur und lindern Symptome. Heilbar ist Lungenhochdruck bislang nicht.

Im Projekt wird ein vielversprechender Ansatz verfolgt. Hierbei sollen biokompatible Nanopartikel entwickelt werden, die Patienten über eine Inhalation erhalten. Diese Nanopartikel dienen wie eine Miniatur-Transportfähre dazu, Wirkstoffe zielgerichtet zu verabreichen. Sie sollen die verstärkte Zellteilung der Lungengefäßwandzellen verringern und so den Lungenhochdruck spürbar verringern.

  • Universitätsklinikum Würzburg, Medizinische Klinik und Poliklinik II
  • Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft (MDC)
  • Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie IZI

Mit der CAR-T-Zelltherapie konnten in klinischen Studien – insbesondere bei Patienten mit Leukämie – bereits eindrucksvolle Behandlungserfolge erzielt werden. Um CAR-T-Zellen zu gewinnen, werden Krebspatienten weiße Blutkörperchen entnommen und daraus T-Zellen – die bei Krankheiten für die Einleitung einer Immunantwort verantwortlich sind – isoliert. Die Zellen werden gentechnisch so verändert, dass die so genannte Chimäre Antigen-Rezeptoren bilden (CAR). Die CAR-T-Zellen sind damit in der Lage Krebszellen spezifisch zu erkennen. Sie werden im Labor vermehrt und dem Patienten über eine Infusion wieder verabreicht. Spüren sie im Körper Krebszellen auf, vervielfältigen sie sich und greifen die Tumorzellen an.

Die Chimären Antigen-Rezeptoren erkennen in diesem Fall das Molekül ROR1. Es kommt auf gesunden Zellen kaum vor, dafür aber umso mehr auf Krebszellen wie beispielsweise bei einer Leukämieerkrankung, bei Brust- oder Lungenkrebs. Bislang erfolgt die Übertragung des CAR-Gens auf die T-Zellen mithilfe von viralen Genfähren. Bei dem nun durch die PoC-Initiative geförderten Forschungsvorhaben erfolgt der Gentransfer hingegen durch das so genannte „Sleeping Beauty“- Transposonsystem. Transposons sind mobile DNA-Abschnitte im Genom, die auch als springende Gene bezeichnet werden. Mithilfe der Förderung will das Forscherteam präklinische Studien abschließen und klinische Studien zur Sicherheit und Wirksamkeit der ROR CAR-T-Zellen durchführen.

  • Helmholtz Zentrum München – Deutsches Forschungszentrum für Gesundheit und Umwelt
  • Fraunhofer-Institut für Zelltherapie und Immunologie IZI
  • Klinikum rechts der Isar der Technischen Universität München (TUM)
  • Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf (UKE)

Bei etwa 260 Millionen Menschen ist das Hepatitis-B-Virus im Blut nachweisbar. Die Hepatitis B ist somit eine der am häufigsten vorkommenden chronischen Viruserkrankungen. Sie führt in vielen Fällen zu Leberzirrhose und Leberkrebs und fordert dadurch jährlich 880.000 Menschenleben. Eine Therapie, die zur Heilung führt, gibt es bisher nicht.

Die PoC-Initiative unterstützt ein Forschungsvorhaben, das erstmals eine Heilung von Hepatitis B ermöglichen könnte. Für die innovative, therapeutische Impfung soll das prime-boost-Verfahren angewendet werden. Dabei wird zunächst ein Impfstoff verwendet, der Hepatitis B-Oberflächenproteine, sowie Hepatitis B-Kernproteine enthält. Dieser „prime“-Impfstoff löst eine erste gewünschte Immunreaktion aus. Gefolgt wird er von einem so genannten „boost“, einem zweiten Impfstoff, der auf dem Modified-Vaccinia-Ankara-Virus (MVA) basiert und Antigene gegen weitere Hepatitisproteine exprimiert. Dadurch soll die Immunantwort – vor allem der T-Zellen – entscheidend verstärkt werden. Die neuartige therapeutische Impfung gegen Hepatitis B konnte schon erfolgreich in präklinischen Studien getestet werden. Durch die Förderung sollen weitere präklinische Studien, immunotoxikologische Untersuchungen und eine klinische Studien der Phase I durchgeführt werden.

Magnetfeldsensoren werden intensiv in der Computer- und Automobilbranche, beispielsweise als Drehzahlsensoren in ABS-Systemen eingesetzt. Besonders interessant aufgrund ihrer Sensitivität und vergleichsweise geringen Größe sind Magnetowiderstandssensoren. Das Projekt entwickelt eine neue Beschichtungsprozedur, bei der die Schichten der Sensoren nicht vertikal von oben, sondern im schrägen Einfall aufgetragen werden, und damit die Sensoreigenschaften flexibel eingestellt werden können. Diese neue Technologie zur maßgeschneiderten Fertigung von Magnetowiderstandssensoren erlaubt es, neue Funktionalitäten zu generieren.

Die Forscherinnen und Forscher in diesem Projekt wollen einen in mehrfacher Hinsicht optimierten bispezifischen Antikörper zur Behandlung von Prostatakrebs und Plattenepithelkarzinomen in die Klinik bringen. Er ist aus den Bestandteilen von zwei unterschiedlichen Antikörpern aufgebaut und bindet sowohl an die Krebszellen als auch an Immunzellen, so genannte T‐Zellen, die dadurch aktiviert werden, die Krebszellen abzutöten. Im Vergleich zu bisher verfügbaren bispezifischen Antikörpern soll das neue Konstrukt deutlich weniger Nebenwirkungen verursachen und für Patienten und Ärzte einfacher zu verabreichen sein.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Projekt wollen ein Gen-Therapeutikum für die bislang unheilbare Blutkrebserkrankung Multiples Myelom sowie für reifzellige B-Zell- Non-Hodgkin-Lymphome entwickeln. Sie verwenden dafür die CAR-T-Zell-Therapie. Die Forscherinnen und Forscher entnehmen Patienten T-Zellen und versehen diese mit einem künstlichen Immunrezeptor, dem chimären Antigen-Rezeptor (CAR). Die Patienten erhalten die modifizierten Immunzellen anschließend zurück. Mit Hilfe des Rezeptors erkennen die therapeutischen T-Zellen nun bestimmte Merkmale (Krebs-Antigene) auf der Oberfläche von Tumorzellen und töten sie. Damit soll der Blutkrebs zurückgedrängt und geheilt werden.

Im Projekt soll ein neues Medikament zur Therapie gegen chronische Lungeninfektionen durch das Bakterium Pseudomonas aeroginosa (PA) entwickelt werden. Diese Infektionen sind bislang nur schlecht behandelbar und können zum Tod führen. Noch gibt es keine zugelassene Behandlung der chronischen PA-Infektion. Die Wirkungsweise basiert auf den als "Pathoblocker" bezeichneten Molekülen, die gezielt krankmachende Mechanismen von PA aushebeln. Dadurch soll das körpereigene Mikrobiom geschont und gleichzeitig eine verringerte Resistenzbildungsrate erzielt werden.

Nanoprober helfen in der Halbleiterindustrie aber auch an Forschungsinstituten bei der Fehleranalyse integrierter Schaltkreise und bei der Prozessoptimierung in der Wafer-Produktion. Bisher werden zwei unterschiedliche Arten von Nanoprobern eingesetzt: Elektronenmikroskop-basierte (SEM) und Rasterkraftmikroskopie-basierte (AFM) Nanoprober. Für die Kunden aus der Halbleiterindustrie bietet eine Kombination dieser beiden Arten von Nanoprobern den Vorteil, kostensparender zu sein und den künftigen Anforderungen im 7 nm-Bereich besser gerecht zu werden. Das Projektteam wird einen kombinierten SEM/AFM-Nanoprober bis hin zur Marktreife entwickeln und testen.

Im Projekt wird der Prototyp eines UHF-MRT-kompatiblen Brain-PET-Einsatzes neuester Generation für die dedizierte Neurobildgebung entwickelt und gebaut. Das BrainPET 7T soll die gleichzeitige molekulare, funktionelle und strukturelle Bildgebung von UHFMR-Tomographen mit bisher noch nicht erreichter Bildqualität ermöglichen.

Der zu entwickelnde PET-Einsatz soll durch die Verwendung neuester Detektor- und Fertigungstechnologien und ein verbessertes Systemdesign über eine drei- bis vierfach höhere Sensitivität und eine deutlich verbesserte und homogenere räumliche Bildauflösung von 1,5-2,5 mm verfügen. Letzteres bedeutet eine Reduktion des Voxelvolumens um einen Faktor 20 im Vergleich zu modernen, kommerziell erhältlichen Ganzkörpersystemen.

Die im Projekt weiterentwickelte KID2-Biomarker-Technologie diagnostiziert Veränderungen des menschlichen Kalzium-Haushalts bedeutend sensibler als die herkömmlichen vergleichbaren Verfahren. Die KID-Biomarker-Technologie ermöglicht damit erstmalig eine sichere, frühe, einfache und den Patienten nicht belastende Diagnose von Osteoporose und anderen mit Ca assoziierten Krankheiten wie bestimmten Krebs (z. B. Multiple Myelom) und Nierenversagen – allesamt eine Herausforderung einer immer älter werdenden Gesellschaft. Der technische Proof-of-concept des KID-Biomarkers ist im Labormaßstab und kleinen klinischen Studien bereits erfolgt.

Glioblastome zählen zu den Tumoren mit sehr schlechter Prognose. Keine andere Tumorart raubt den Patienten so viele Lebensjahre. Im Projekt soll nun ein Lu-177-gekoppeltes Fab-Fragment, das von einem entwickelten und patentierten Antikörper 6A10 abgeleitet ist, in einer klinischen Phase I/II-Studie zur Radioimmuntherapie von Glioblastomen validiert werden. In klinischen Studien konnte die Radioimmuntherapie das Überleben dieser Patienten signifikant verlängern. Der innovative Ansatz mit Lu-177-gekoppelten Fab-Fragment ist eine deutliche Weiterentwicklung dieser Therapie.

Bei der Ischämie und der anschließenden Wiederherstellung des Blutflusses (Reperfusion), beispielsweise nach einem Herzinfarkt oder Schlaganfall, aber auch nach chirurgischen Eingriffen, können große Mengen von reaktiven Sauerstoffformen (ROS) entstehen, die schädlich für den Organismus sind. In dem Projekt erforschen Wissenschaftler ein Medikament gegen Gewebeschäden, die bein der Reperfusion nach einer Ischämie (Durchblutungsstörung) auftreten können.

Der Wirkstoff soll Zellen besser vor Ischämie-Reperfusionsschäden schützen und so die Gewebefunktion aufrechterhalten.

Im Projekt wird die Wirksamkeit einer neuartigen Diabetes-Therapie untersucht, die an der Ausschaltung eines bestimmten Faktors in der Leber ansetzt. Dadurch wird die Insulinsensitivität der Leber und anderer Organe verbessert. Das Zielmolekül spielt eine Schlüsselfunktion bei der Regulation des Insulinsignalwegs und bietet damit einen neuen Ansatzpunkt für die Therapie von Diabetes. Der Therapieansatz könnte vor allem für solche Patienten eine lang erwartete Alternative sein, die aufgrund Nichtansprechens oder bedingt durch diabetische Nierenschäden für derzeitige Standardtherapien nicht in Frage kommen.

Abgeschlossene Projekte (ab 2013)

Der derzeitige Goldstandard in der Behandlung der chronischen Hepatitis B kann bislang nur die Vermehrung der Viren kontrollieren, dies führt allerdings nicht zu einer Heilung der Krankheit. Bei dem Validierungsprojekt geht es um ein neuartiges Konzept zur kurativen Therapie einer chronischen Hepatitis B, die auch bei Leberzell-Karzinomen mit assoziiertem Hepatitis-B-Virus (HBV) angewendet werden könnte. Es wird eine Kombination zweier bispezifischer Antikörper eingesetzt, womit einerseits eine Bindung an das schädliche Hepatitis-B-Virus und andererseits die Aktivierung von nützlichen T-Zellen erreicht werden soll.

Hochpräzise Straßenkarten mit dem genauen Verlauf der Fahrspuren gelten heute als zentrale Voraussetzung für das autonome Fahren, denn hier kommt es auf jeden Zentimeter an. Bisher lassen sich zentimetergenaue Koordinaten jedoch nur aufwendig und punktuell vor Ort mit Hilfe eines Empfängers realisieren. Das Verfahren von DriveMark dagegen erzeugt weitestgehend automatisiert und flächendeckend präzise Koordinaten. Dahinter steckt eine Technologie, die Störungen durch Atmosphären- und Umwelteinflüsse auf die Signale von Radar-Satelliten korrigiert.

Mit einem neuartigen vollautomatisierten Umformprozess können sogenannte Profilvorformen für Faserkunststoff-Verbundbauteile (FKV) in Kraftfahrzeug- und Nutzfahrzeugkarosserien, wie Dachspriegel oder Längs- und Querträger am Boden eines Autos, aus trockenen Faserhalbzeugen hergestellt werden. Der Prozess kann in bestehende FKV-Fertigungsprozesse integriert werden und teilautomatisierte oder weniger effiziente Verfahren ersetzen. Das Forscherteam verspricht sich von dem COPRO²-Verfahren eine Senkung der Herstellungskosten von etwa 35 Prozent gegenüber herkömmlichen Methoden. Zudem steigert COPRO² die Bauteilqualität und kann direkt in die Serienfertigung übernommen werden.

Das Projekt treibt die Entwicklung eines elektrochemischen Sensors zur Identifizierung von Malaria-Infektionen voran, der am Point-of-Care  als in-vitro-Diagnostikum (lvD) herkömmliche Detektionsverfahren ersetzen soll. Die eingesetzte Redox-Cycling-Detektion erlaubt eine hochsensible und spezifische quantitative Detektion. Dabei ermöglicht das nanoskalierbare automatisierte Druckverfahren Produktionskosten weit unter den aktuellen Stückkosten vergleichbarer lvD. Über die erste Produktoption des Malaria-Sensors hinaus besteht zudem die Möglichkeit, auf Basis der Technologie weitere Sensoren für viele andere Indikationen mit deutlich geringerem Aufwand zu entwickeln.

Mit RACE-LAB soll die industrielle Nutzung von Robotern vereinfacht und noch stärker automatisiert werden. Die neueste Robotergeneration zeichnet sich hauptsächlich durch ihre Leichtbauweise, Interaktionsfähigkeit und Feinfühligkeit aus. Dafür werden die Wissenschaftler eine intelligente Programmverwaltung und Softwarebibliothek entwickeln, die verschiedenste Roboterfähigkeiten wie Bohren, Schrauben, Ablegen oder Aufnehmen ermöglichen. RACE-LAB soll zudem wiederkehrende interaktive Prozesse erleichtern, wie die Übergabe von Objekten von Mensch zu Roboter. Komplexe Handlungsabläufe wie die Interaktion zwischen Mensch und Maschine werden so mit geringem Programmieraufwand sicherer und dynamischer.

Produkte mit individuellen Merkmalen könnten auch in kleinen und mittleren Unternehmen, wie z. B. Schreinereien oder in der Medizintechnik, automatisiert und wirtschaftlich hoch effizient gefertigt werden – bis heute ein absolut undenkbares Fertigungsverfahren.

Im Projekt wird der Einsatz eines rotierenden Receiversystems mit keramischen Partikeln als Wärmeträger für den Einsatz in Solarturmkraftwerken erforscht. Ziel ist die kommerzielle Produktion von Wärme, die an sonnenreichen Standorten gegenüber flüssigen Brennstoffen wettbewerbsfähig ist. In solarthermischen Kraftwerken wird direkte Sonnenstrahlung durch mehrere Spiegel gebündelt; als Energieträger und Speichermedium kommen in diesem Verfahren nahezu schwarze Keramikpartikel zum Einsatz. Die Partikel können dabei auf bis zu 1000 Grad Celsius aufgeheizt werden, und der Stoffstrom kann über einen patentierten Zentrifugal-Receiver effizient gesteuert werden. Dank der einfachen und direkten Speichermöglichkeit ist ein 24-Stunden-Betrieb möglich. Einsatzbereiche sind dort, wo Temperaturen von über 400 Grad Celsius benötigt werden oder Strom mittels Dampf- oder Gasturbinen erzeugt wird.

Ein effektiver Weg dem stetig wachsenden Verkehrsaufkommen zu begegnen, liegt in der Nutzung intelligenter Verkehrssteuerungen. Ein wesentliches Element zur Verkehrsverstetigung ist die intelligente Steuerung von Lichtsignalanlagen (LSA). Es wurde ein neues LSA-Steuerungsverfahren (VITAL) entwickelt, dessen Wirksamkeit in Simulationsstudien nachgewiesen und zum Patent angemeldet wurde. Dieses Verfahren wurde hinsichtlich seiner technischen Machbarkeit und des wirtschaftlichen Potenzials in einer anschließenden Orientierungsphase in der Praxis validiert.

Mit AcListant wird ein Produkt validiert, das mittels Sprachverarbeitung aus dem Sprechfunkverkehr zwischen Fluglotse und Piloten Informationen extrahiert, die für die Verbesserung vorhandener Lotsenassistenzsysteme benötigt werden. Endnutzer sind Fluglotsen, die den Anflug, Roll- und Abflugverkehr koordinieren. Das Produkt kann als ergänzendes Modul in existierende Assistenzsysteme von Flugsicherungen integriert werden. Zielkunden des Produkts sind deutsche KMUs im ATM-Umfeld als Unternehmen, die in kurzer Zeit Technologien übernehmen und vermarkten können. Übertragungen auf verwandte Domänen, in den Assistenzsysteme eine Gruppe von per Sprache kommunizierenden Menschen unterstützen, sind z. B. Bahnverkehr, Schifffahrt, aber auch Feuerwehr und Polizei.

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    • Dr.-Ing. Jörn Krupa
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    • Referent Bereich Transfer und Innovation
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