Synthetischer Zucker gegen Autoimmunkrankheit

Medienmitteilung der Universität Basel vom 18.04.2017

Forscher arbeiten an einem neuartigen Ansatz zur Behandlung einer seltenen Autoimmunerkrankung des peripheren Nervensystems: Dabei soll eine Art molekularer Schwamm aus Zucker pathogene Antikörper aus dem Blutkreislauf entfernen. Entwickelt zur Behandlung der Anti-MAG Neuropathie, hat der Ansatz das Potenzial, auch bei andern Autoimmunerkrankungen Anwendung zu finden. Dies berichten Wissenschaftler der Universität Basel und des Universitätsspitals Basel in der Fachzeitschrift «PNAS».

Patienten, die an Anti-MAG-Neuropathie erkranken, leiden unter anderem an Sensibilitätsverlust in Armen und Beinen, neuropathischen Schmerzen und einem Verlust der Koordination bis zur Gehbehinderung. Durch die fortschreitende Schädigung der peripheren Nerven werden die Betroffenen im täglichen Leben immer stärker eingeschränkt, bis sie auf vollständige Unterstützung angewiesen sind.

Die Erkrankung kann im Blutserum anhand von Autoantikörpern nachgewiesen werden, die an das Myelin-assoziierte Glykoprotein (MAG) im peripheren Nervensystem binden. Diese Anti-MAG Antikörper gelten seit Längerem als Ursache der Krankheit. Bekannt ist auch, dass eine Reduktion der Antikörperkonzentration im Blut zu einer Verbesserung der Symptome führt.

Eine zugelassene Therapie, die spezifisch gegen diese Autoantikörper wirkt, ist zurzeit aber nicht verfügbar. Die heutigen Behandlungen zielen lediglich darauf ab, die Immunreaktion zu unterdrücken; sie sind wenig effizient und können zum Teil schwere Nebenwirkungen hervorrufen.

Künstliches Molekül als Schwamm

Daher arbeiten Basler Forschende an einer neuen Behandlungsmethode mit massgeschneiderten synthetischen Glykopolymeren, die wie ein Schwamm auf die schädlichen Autoantikörper wirken. Das Glykopolymer imitiert den Abschnitt auf dem MAG-Protein, an den die Anti-MAG Antikörper binden.

Die Wissenschaftler konnten in vitro nachweisen, dass das Glykopolymer die krankheitsverursachenden Antikörper in Patientenseren neutralisiert. Darüber hinaus wurden die Anti-MAG Antikörper in immunisierten Mäusen effizient entfernt.

Perspektive für andere Autoimmunerkrankungen

Dieser neue Behandlungsansatz bietet nicht nur eine vielversprechende Möglichkeit für eine antigenspezifische Therapie der Anti-MAG Neuropathie, sondern auch für andere Antikörper-vermittelte Autoimmunerkrankungen.

Da bei vielen Autoimmunerkrankungen die Antigene nur unvollständig beschrieben oder gar unbekannt sind, gestalten sich antigenspezifische Therapieansätze in der Regel äusserst schwierig. «Mit der Verwendung von Glykopolymeren eröffnen sich neue Möglichkeiten zur Behandlung von Erkrankungen, bei denen Anti-Glykan-Antikörper eine Rolle spielen», sagt Studienleiter Prof. Beat Ernst vom Departement für Pharmazeutische Wissenschaften der Universität Basel. Beispiel dafür sind die multifokale motorische Neuropathie oder das Guillain-Barré-Syndrom.

Kooperation mit Spin-off

Die Resultate entstanden in einem gemeinsamen Projekt des Departements für Pharmazeutische Wissenschaften der Universität Basel und der Polyneuron Pharmaceuticals AG, einem Spin-off der Universität Basel, der 2014 von Dr. Ruben Herrendorff, Prof. Andreas Steck und Prof. Beat Ernst gegründet worden ist. Das Projekt wurde von der Kommission für Technologie und Innovation (KTI), der Gebert Rüf Stiftung und der Neuromuscular Research Association Basel gefördert.

Zurzeit bereitet Polyneuron Pharmaceuticals AG die klinische Testierung des Glykopolymer-Wirkstoffs zur Therapie von Anti-MAG Neuropathie vor.

Originalbeitrag:
Ruben Herrendorff, Pascal Hänggi, Hélène Pfister, Fan Yang, Delphine Demeestere, Fabienne Hunziker, Samuel Frey, Nicole Schaeren-Wiemers, Andreas J. Steck and Beat Ernst
Selective in vivo removal of pathogenic anti-MAG autoantibodies, an antigen-specific treatment option for anti-MAG neuropathy
PNAS (2017), doi: 10.1073/pnas.1619386114

Externer Link: www.unibas.ch

Solarzellen mit Nanostreifen

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 12.04.2017

Wissenschaftler des KIT gewinnen neue Einblicke in die Struktur von Perowskit-Solarzellen

Solarzellen aus Perowskiten erreichen inzwischen hohe Wirkungsgrade: Sie wandeln über 20 Prozent des einfallenden Lichts direkt in nutzbaren Strom um. Auf der Suche nach den zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen haben Forscher am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) nun in Perowskit-Schichten streifenförmige Nanostrukturen mit sich abwechselnden elektrischen Feldern nachgewiesen, die als Transportpfade für Ladungen dienen könnten. Darüber berichten sie im Journal Energy & Environmental Science. (DOI: 10.1039/c7ee00420f)

Die von den Karlsruher Forschern verwendeten Perowskite sind metallorganische Verbindungen mit spezieller Kristallstruktur und hervorragenden photovoltaischen Eigenschaften. So haben Perowskit-Solarzellen seit ihrer Entdeckung 2009 eine rasante Entwicklung durchlaufen und erreichen inzwischen Wirkungsgrade von über 20 Prozent. Dies macht sie zu einer der vielversprechendsten Photovoltaik-Technologien. Die Forschung an Perowskit-Solarzellen steht allerdings noch vor zwei Herausforderungen: die lichtabsorbierenden Schichten robuster gegen Umwelteinflüsse zu machen sowie das darin enthaltene Schwermetall Blei durch umweltfreundlichere Elemente zu ersetzen. Dazu bedarf es tieferer Einblicke in die physikalischen Mechanismen, die es ermöglichen, dass Perowskite einen so hohen Anteil der absorbierten Solarenergie in elektrische Energie umwandeln.

Ein multidisziplinäres Team von Forschern des KIT um Dr. Alexander Colsmann, Leiter der Arbeitsgruppe Organische Photovoltaik am Lichttechnischen Institut (LTI) und am Materialwissenschaftlichen Zentrum für Energiesysteme (MZE), hat nun Perowskit-Solarzellen mithilfe der Piezoresponse Force Microscopy, einer besonderen Rasterkraft-Mikroskopietechnik, vermessen und dabei in den lichtabsorbierenden Schichten ferroelektrische Nanostrukturen nachgewiesen. Ferroelektrizität bedeutet, dass Kristalle eine elektrische Polarisation besitzen. Dabei bilden die ferroelektrischen Kristalle Bereiche mit gleicher Polarisationsrichtung, sogenannte Domänen. Die Karlsruher Wissenschaftler beobachteten, dass der Bleihalogenid-Perowskit während der Entstehung dünner Schichten rund 100 Nanometer breite streifenförmige ferroelektrische Domänen mit sich abwechselnden elektrischen Feldern bildet. Diese alternierende elektrische Polarisation im Material könnte eine entscheidende Rolle beim Transport der photogenerierten Ladungen aus der Solarzelle heraus spielen und somit die besonderen Eigenschaften der Perowskite in der Photovoltaik erklären.

„Die ferroelektrischen Strukturen in der Größe von wenigen zehn Nanometern könnten nahezu perfekt getrennte Transportpfade für Ladungen in der Solarzelle bilden“, erklärt Alexander Colsmann. Nach derartigen Strukturen suchen Forscher schon seit Jahren, um den Wirkungsgrad von Solarzellen zu verbessern. „In Perowskit-Solarzellen entstehen diese Strukturen unter gewissen Bedingungen offensichtlich von selbst“, sagt Professor Michael J. Hoffmann, Leiter des Instituts für Angewandte Materialien – Keramische Werkstoffe und Technologien (IAM-KWT) des KIT. Er kennt ähnliche ferroelektrische Strukturen aus der Keramikforschung. Theoretische Arbeiten anderer Forscher hatten diese vorteilhaften Nanostrukturen zuvor bereits vorhergesagt. Bisher war der Nachweis jedoch ausgeblieben. Die Wissenschaftler des KIT untersuchten die Ferroelektrizität von Bleihalogenid-Perowskiten im Rahmen des von der Baden-Württemberg Stiftung finanzierten Projekts „NanoSolar“. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in der renommierten Zeitschrift Energy & Environmental Science. (or)

Publikation:
Holger Röhm, Tobias Leonhard, Michael J. Hoffmann and Alexander Colsmann: Ferroelectric domains in methylammonium lead iodide perovskite thin-films. Energy & Environmental Science, 2017 (DOI: 10.1039/c7ee00420f)

Externer Link: www.kit.edu

Kaltes Plasma: Mit dem Disc-Jet durchstarten

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 03.04.2017

Im Zentrum von Sternen findet man Plasmen häufig – auf der Erde kommen die elektrisch geladenen Gasgemische nur selten vor, zum Beispiel in Blitzentladungen oder Polarlichtern. Man kann jedoch mit großer Hitze oder hohen elektrischen Spannungen nachhelfen. Fraunhofer-Forscher haben kalte Plasmen erzeugt und sie für die Oberflächenbehandlung temperaturempfindlicher Materialien genutzt. Dank einer neuartigen Technik waren dabei Vertiefungen oder Hinterschneidungen kein Problem mehr – der Disc-Jet kommt überall hin.

Plasmen werden in der Industrie schon lange eingesetzt, um Oberflächen zu reinigen oder so zu bearbeiten, dass Materialien wie Lacke oder Klebstoffe besser darauf halten. Der Vorteil: Auf die chemische Vorbehandlung mit Lösungsmitteln oder anderen Stoffen kann verzichtet werden. Das spart Geld und ist umweltfreundlich. Das Problem: Bisher konnten nur ebene Flächen behandelt werden, über Vertiefungen, Hohlräume oder Hinterschneidungen glitt das Plasma einfach hinweg. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Schicht- und Oberflächentechnik IST haben jetzt zwei Plasmaverfahren, den Plasmajet und die Gleitentladung, miteinander kombiniert, um auch dreidimensionale Bauteile effektiv bearbeiteten zu können.

Optimal für die Behandlung von Kunststoffen oder Holz

»Im Inneren des Plasmajets, der im Wesentlichen aus einer Elektrode und einer Düse besteht, wird ein kaltes Plasma mit Hilfe von Wechselspannung erzeugt«, erklärt Martin Bellmann, Ingenieur im Anwendungszentrum für Plasma und Photonik des Fraunhofer IST. Je nach Bedarf kommen unterschiedliche Gase oder Gasgemische zum Einsatz. Die hohe elektrische Spannung der Elektrode sorgt dafür, dass negativ geladenen Elektronen die Atomhülle verlassen, die größeren, positiv geladenen Ionen bleiben zurück: Das Gas wird leitfähig und damit zum energetischen Plasma. »Weil Plus- und Minuspol der Elektrode ständig wechseln, bewegen sich die Ionen kaum und setzen wenig Energie in Form von Wärme frei, sondern zittern lediglich ein wenig hin und her«, so Bellmann. Die Temperatur lässt sich auf diese Weise niedrig auf 30 bis 60 Grad halten – optimal für die Behandlung von hitzeempfindlichen Materialien wie Kunststoffen oder Holz.

Verfahren erfasst auch Hohlräume, Vertiefungen und Hinterschneidungen

Anschließend werden die freien Elektronen mit einer Düse auf das Bauteil geblasen. Weil die Materialoberfläche nicht leitet, können sie nicht mit ihr reagieren. Daher zünden sie zurück zur Unterseite des Jets. So entstehen zahlreiche kleine Blitze, so genannte Gleitentladungen, die sich konzentrisch um die Düse herum zwischen der Unterseite des Geräts und dem Bauteil flächig ausbreiten. »Die Form dieser Ausbreitung erinnert an eine CD, daher haben wir unsere Entwicklung Disc-Jet getauft.« Das Ergebnis: Eine gleichmäßige Behandlung der kompletten Oberfläche – Vertiefungen, Hohlräume und Hinterschneidungen inklusive.

Plasmastrahl wirkt physikalisch und chemisch

Der Plasmastrahl wirkt nicht nur physikalisch, indem er die Oberfläche leicht aufraut, wodurch aufgetragene Stoffe besser halten, sondern auch chemisch. Denn die instabilen Atome und Moleküle des Plasmas sind hoch reaktiv. Verwendet man zum Beispiel Luft als Plasmagas, so lösen die einzelnen Sauerstoff-Atome Wasserstoff-Atome aus den Kunststoff-Oberflächen heraus und ermöglichen damit eine bessere Anhaftung von Lacken oder Klebstoffen.

Externer Link: www.fraunhofer.de

Mikroprozessor aus einer Schicht von nur drei Atomen

Presseaussendung der TU Wien vom 12.04.2017

Mikroprozessoren auf Basis von atomar dünnem Material versprechen, neben der Weiterentwicklung klassischer Prozessoren, auch neue Anwendungen im Bereich von flexibler Elektronik. Einem Forschungsteam der TU Wien rund um Thomas Müller gelang in einem aktuellen Forschungsprojekt nun ein Durchbruch auf diesem Gebiet.

Zweidimensionale Materialien –  kurz 2D-Materialien – sind sehr vielseitig einsetzbar obwohl – oder oft gerade weil – sie aus nur einer einzigen oder wenigen Schichten von Atomen bestehen. Das wohl bekannteste 2D-Material ist Graphen. Molybdändisulfid (eine drei-atomar dicke Schicht aus Molybdän und Schwefel-Atomen) gehört ebenfalls in diese Kategorie, besitzt im Gegensatz zu Graphen jedoch Halbleitereigenschaften. Dr. Thomas Müller vom Institut für Photonik der TU Wien forscht mit seinem Team an 2D-Materialien und sieht diese als zukunftsträchtige Alternative für die Herstellung von Mikroprozessoren und anderen integrierten Schaltkreisen.

Das Ganze und die Summe seiner Teile

Mikroprozessoren sind aus einer modernen Welt nicht mehr wegzudenken und allgegenwärtig. Ohne ihre ständige Weiterentwicklung wären viele inzwischen alltäglich erscheinende Dinge (Computer, Mobiltelefone, Internet, …)  nicht realisierbar. Silizium, das von Beginn an für ihre Herstellung verwendet wird, stößt jedoch langsam aber sicher an seine physikalischen Grenzen. Ein vielversprechender Kandidat für seine Ablöse findet sich in 2D-Materialen, unter anderem Molybdändisulfid. Während einzelne Transistoren, die grundlegendsten Bauteile jeder digitalen Schaltung, aus 2D-Materialien schon seit der Entdeckung von Graphen 2004 erforscht werden, konnten komplexere Strukturen nur äußerst beschränkt realisiert werden. Bisher gelang lediglich die Herstellung einzelner digitaler Bauelemente aus einigen wenigen Transistoren. Für einen eigenständig funktionierenden Mikroprozessor benötigt man jedoch erheblich komplexere Schaltkreise und vor allem auch deren perfektes Zusammenwirken.

Thomas Müller und sein Team haben es nun erstmalig geschafft dies zu realisieren. Das Resultat ist ein 1-bit Mikroprozessor, bestehend aus 115 Transistoren auf einer Fläche von rund 0,6 mm2, der einfache Programme ausführen kann. „Während das im Vergleich mit Industriestandards auf Basis von Silizium natürlich äußerst bescheiden wirkt, ist es doch ein großer Durchbruch für dieses Forschungsfeld. Der ‚Proof of Concept‘ ist geschafft, einer Weiterentwicklung steht im Prinzip nichts im Weg“, so Stefan Wachter, Dissertant in der Forschungsgruppe von Dr. Müller. Doch nicht nur die Materialwahl war für den Erfolg des Forschungsprojektes ausschlaggebend. „Wir haben uns auch die Dimensionierung der einzelnen Transistoren genau überlegt“, erklärt Müller. „Die exakten Verhältnisse der Transistorgeometrien in einem grundlegenden Schaltungsbauteil sind kritisch für die Realisier- und Kaskadierbarkeit komplexerer Einheiten.“

Zukunftsaussichten

Natürlich braucht es für einen praktischen Einsatz dieser Technologien noch deutlich leistungsfähigere und komplexere Schaltkreise mit tausenden oder gar Millionen von Transistoren. Eine der größten Herausforderungen in diesem Forschungsfeld ist derzeit noch die Reproduzierbarkeit und Ausbeute bei der Herstellung der verwendeten Transistoren, denn sowohl die eigentliche Herstellung der 2D-Materialien als auch die Methoden für deren Weiterverarbeitung stecken noch in den Kinderschuhen. „Da unsere Schaltkreise im Labor quasi in ‚Handarbeit‘ gefertigt werden sind derartig komplexe Designs natürlich für uns kaum realisierbar, da jeder einzelne der Transistoren wie geplant arbeiten muss um die Funktion des gesamten Prozessors zu gewährleisten“, betont Müller die immensen Anforderungen an moderne Elektronik. Mit industriellen Methoden könnten jedoch in den nächsten Jahren durchaus einige neue Anwendungsgebiete für diese Technologie entstehen, sind die Forscher überzeugt. Ein Beispiel für ein solches wäre flexible Elektronik, wie sie für medizinische Sensoren oder biegsame Displays benötigt wird. Hier sind die 2D-Materialien dem klassischen Silizium aufgrund ihrer deutlich größeren mechanischen Flexibilität weit überlegen. (Christine Cimzar-Egger)

Originalpublikation:
Stefan Wachter, Dmitry K. Polyushkin, Ole Bethge, Thomas Mueller
A microprocessor based on a two-dimensional semiconductor.
Nature Communications | DOI: 10.1038/NCOMMS14948

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Steuerung im Doppel

Presseinformation der LMU München vom 06.04.2017

Viele Chemokine schließen sich als Duo zusammen. Wie präzise diese Signalmoleküle dann Immunzellen zu ihrem Einsatzort lotsen können, haben LMU-Mediziner analysiert. Möglicherweise ergibt sich daraus ein Ansatzpunkt für neue Therapien.

Chemokine sind kleine Signalproteine, die Zellen an bestimmte Orte innerhalb des Körpers locken. Insbesondere lotsen sie Immunzellen in infizierte oder verletzte Gewebe. Die Zellen folgen dabei gleichsam einem Anstieg der Chemokin-Konzentration hin zum Ort mit der größten Chemokin-Dichte. Chemokine sind daher an Entzündungsreaktionen beteiligt, mit denen die Körperabwehr Schädigungen bekämpft. Sie spielen unter anderem auch eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Atherosklerose, die auf chronischen Gefäßentzündungen beruht. Forscher um die LMU-Mediziner Professor Christian Weber und Dr. Philipp von Hundelshausen haben nun erstmals systematisch untersucht, ob und wie Interaktionen zwischen unterschiedlichen Chemokinen deren Funktionen beeinflussen, und ihre Ergebnisse im Fachmagazin Science Translational Medicine veröffentlicht.

Viele Chemokine schließen sich zu Dimeren zusammen, das heißt sie bilden Zweierverbünde. Die Interaktion zwischen diesen Partnern kann deren Funktion potenziell verstärken oder hemmen. Deshalb könnten sogenannte Heterodimere, bei denen sich zwei verschiedene Chemokine zusammengeschlossen haben, auch ein interessantes Ziel für neue Therapien gegen akute und chronische Entzündungen sein. „Bisher war allerdings nur ein einziges Heterodimer ausreichend charakterisiert, das sich für eine therapeutische Intervention mit Peptiden eignet. Diese Chemokine verstärken gemeinsam die Einwanderung Atherosklerose-fördernder Monozyten in entzündete Gefäßwände“, sagt Weber.

Die Wissenschaftler haben nun erstmals systematisch alle möglichen Interaktionen zwischen den etwa 50 bekannten Chemokinen kartiert und untersucht, ob weitere Heterodimere funktionell relevant und möglicherweise therapeutisch beeinflussbar sind. Mithilfe aufwändiger Struktur-Funktions-Analysen und transgener Mausmodelle konnten die Forscher nachweisen, dass insbesondere solche Chemokine interagieren, die im Rahmen einer Entzündungsreaktion gebildet werden. Dabei machten die Forscher zwei Arten des Zusammenschlusses aus, die sich strukturell unterscheiden. Die entsprechenden Dimere werden als CC- bzw. CXC-Dimere bezeichnet. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass diese beiden Subtypen unterschiedliche Wirkungen haben: Dimere vom CC-Typ verstärken die Chemokin-Wirkung. Im Mausmodell fördern sie die Entstehung von akuten Lungenentzündungen und Atherosklerose. Dimere vom CXC-Typ dagegen hemmen die chemokine Wirkung. Die Bildung spezifischer Chemokin-Heterodimere ermöglicht dem Organismus somit eine fein austarierte Steuerung der Chemokinaktivität“, sagt von Hundelshausen.

„Wir konnten im Rahmen der Studie die Atherosklerose- und Lungenentzündungen-fördernde Wirkung von CC-Heterodimeren, aber auch die Blutplättchenaggregation und damit die Thromboseneigung, die durch CXC-Dimere gefördert wird, mithilfe synthetischer Peptide spezifisch hemmen“, sagt Weber. Solche Peptide könnten demnach die Basis für die Entwicklung neuer Therapeutika bilden.

Publikation:
Science Translational Medicine 2017

Externer Link: www.uni-muenchen.de