Die künstliche Plazenta im Labor

Presseaussendung der TU Wien vom 13.08.2018

Um wichtige Bio-Membranen besser zu verstehen, muss man zu neuen Methoden greifen: An der TU Wien stellte man mit 3D-Druck-Verfahren eine künstliche Plazentabarriere auf einem Chip her.

Die Plazenta hat eine wichtige und hochkomplizierte Aufgabe: Sie muss dafür sorgen, dass zwischen der Mutter und ihrem ungeborenen Kind wichtige Substanzen ausgetauscht werden und gleichzeitig anderen Substanzen der Durchgang versperrt wird. Längst hat man noch nicht vollständig verstanden, wovon die Durchlässigkeit der Plazenta abhängt – schließlich ist es kaum möglich, ihre Funktion am Menschen direkt zu untersuchen.

An der TU Wien stellte man daher nun ein künstliches Plazenta-Modell her, das dem natürlichen Vorbild sehr nahekommt: Mit speziell entwickelten lasergesteuerte 3D-Druck-Verfahren kann man aus Hydrogelen hochpräzise Formen herstellen, die dann mit Plazenta-Zellen besiedelt werden. Damit wird es nun möglich, wichtige Forschungsfragen zu klären, etwa über den Glucose-Austausch zwischen Mutter und Kind.

Komplexer Stoffaustausch zwischen Mutter und Kind

„Der Transport von Substanzen durch biologische Membranen spielt in verschiedenen Bereichen der Medizin eine wichtige Rolle“, sagt Prof. Aleksandr Ovsianikov vom Institut für Werkstoffwissenschaften und Werkstofftechnologie der TU Wien. „Etwa in der Blut-Hirn-Schranke, bei der Nahrungsaufnahme in Magen und Darm oder eben in der Plazenta.“

So gibt es etwa zahlreiche Studien darüber, dass sich Krankheiten der Mutter wie etwa Diabetes auf das ungeborene Kind auswirken können. Auch Bluthochdruck kann den Stofftransport zum Fetus beeinflussen. Auf welche Weise in solchen Fällen aber die vielen beteiligten Parameter zusammenspielen, konnte bisher kaum untersucht werden.

Spezialchip mit Bio-Trennwand aus dem 3D-Drucker

An der TU Wien arbeitet man daher daran, Organstrukturen auf kompakten Chips nachzubilden, um so wichtige Aspekte ihrer Funktion unter kontrollierten Bedingungen untersuchen zu können. „Unser Chip besteht aus zwei Bereichen – eine repräsentiert den Fötus, der andere die Mutter“, erklärt Denise Mandt, die im Rahmen ihrer Diplomarbeit an dem Projekt arbeitete. „Dazwischen stellen wir in einem speziellen 3D-Druck-Verfahren eine Trennwand her – die künstliche Plazentamembran.“

An solchen hochauflösenden 3D-Druck-Verfahren arbeitet man an der TU Wien seit Jahren mit großem Erfolg: Man verwendet Materialien, die mit Hilfe von Laserstrahlen zum Aushärten gebracht werden können. So kann man Punkt für Punkt mit einer Auflösung im Mikrometer-Bereich die gewünschten 3D-Strukturen herstellen. „In unserem Fall handelt es sich dabei um ein Hydrogel mit guter Bioverträglichkeit“, erklärt Aleksandr Ovsianikov. „Nach dem Vorbild der natürlichen Plazenta stellen wir eine Oberfläche mit kleinen, gewundenen Zotten her. Dort können sich dann Plazentazellen ansiedeln und eine Oberfläche erzeugen, die der natürlichen Plazenta sehr ähnlich ist.“

Das Organ auf dem Chip

„Die Organ-on-a-Chip Technologie ist ein revolutionärer Ansatz in der Biomedizin, der in den letzten Jahren großes Interesse in der klinischen Diagnostik, Biotechnologie und Pharmazie erzeugt hat“, sagt Prof. Peter Ertl, Leiter der Cell-Chip-Forschungsgruppe, die maßgeblich an dem Projekt beteiligt war. „Die Erzeugung von humanen Miniorganen am Chip soll dazu führen, dass patientenspezifische Therapieansätze entwickelt werden können, und stellt außerdem auch eine wichtige Methode für den Ersatz von Tierversuchen dar.“

Am Chip können wichtige biologische Parameter wie Druck, Temperatur, Geometrie und Nährstoffversorgung der Miniorgane sowie die Zugabe von Medikamenten genau kontrolliert werden. So wird es möglich, Krankheitsverläufe und Heilungsraten genau zu beobachten.

In ersten Tests konnte bereits gezeigt werden, dass sich die künstliche Plazenta am Chip tatsächlich ähnlich wie eine natürliche Plazenta verhält: Kleine Moleküle werden durchgelassen, große werden aufgehalten. Nun soll das Modell verwendet werden, um gezielt wichtige Aspekte des Nährstofftransports von der Mutter zum Fötus zu untersuchen. (Florian Aigner)

Originalpublikation:
D. Mandt et al., Fabrication of placental barrier structures within a microfluidic device utilizing two-photon polymerization, International Journal of Bioprinting, 4,2 (2018).

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Drohnensteuerung via Sprachkanal

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.08.2018

Die Zukunft liegt in der Luft. Drohnen können schon bald Straßen entlasten, Lieferwege optimieren oder Brandbekämpfung sicherer und effizienter machen. Bis die Technologie jedoch flächendeckend kommerziell eingesetzt werden kann, müssen noch einige Herausforderungen gemeistert werden. Zum Beispiel die Frage der Kommunikation zur Steuerung und Ortung. Diese muss stabil und überall verfügbar sein, sollte möglichst günstig sein und muss auch außer Sichtweite funktionieren. Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut, HHI in Berlin haben eine Lösung gefunden: Sie rufen die Drohne einfach an.

Drohnen sind eine vielversprechende Technologie. Zum Beispiel könnte mit ihnen schon in naher Zukunft der Lieferverkehr von der Straße in die Luft verlegt werden. Das würde Straßen entlasten und den CO2-Ausstoß senken. Obendrein würden die Lieferwege deutlich kürzer und Pakete könnten wesentlich schneller den Kunden erreichen. Bei der Brandbekämpfung könnten Drohnen voraus fliegen und den Feuerwehrleuten ein erstes Bild vom Einsatzort liefern. Zahlreiche weitere Einsatzszenarien sind denkbar. Doch vor dem flächendeckenden Drohneneinsatz gilt es noch einige Herausforderungen zu bewältigen. Zum Beispiel eine zuverlässige Kommunikation zur Steuerung und Ortung der Drohnen. Bisher werden Drohnen oft direkt per Funk gesteuert, die begrenzte Reichweite schränkt die Einsatzmöglichkeiten jedoch deutlich ein. Das Senden und Empfangen von Informationen über Mobilfunkdatenkanäle ist eine weitere Möglichkeit. Doch auch diese weist Schwächen auf, die den flächendeckenden, zuverlässigen kommerziellen Einsatz derzeit nicht erlauben. So sind diese Kanäle nicht auf eine konstante Echtzeitverbindung, sondern für das kurzzeitige Übermitteln von Datenpaketen, beispielsweise beim Laden einer Website, ausgelegt. Die Folge: Verbindungsabbrüche. Darüber hinaus ist bei der Nutzung von Datenkanälen gerade in Städten oder bei Großveranstaltungen Überlastung ein Problem. Eine Alternative wäre die Errichtung einer eigenen Infrastruktur, über die Drohnen mit dem Controller kommunizieren. Dies ist nicht nur aufwändig und teuer, es stehen dafür auch kaum Funkressourcen zur Verfügung. Verfügbare Frequenzbereiche sind meist anfällig für Störungen und Überlastungen, sodass eine derartige Lösung weder wirtschaftlich noch sicherheitstechnisch sinnvoll ist.

Experten vom Fraunhofer HHI haben eine Lösung entwickelt, die stabil, günstig, reichweiteunabhängig und prinzipiell sofort umsetzbar ist: Die Steuerung über die Sprachkanäle des Mobilfunknetzes. »Ein großer Vorteil ist, dass Sprachkanäle im Gegensatz zu Datenverbindungen nahezu überall verfügbar und äußerst zuverlässig sind«, erklärt Tom Piechotta, Wissenschaftler beim Fraunhofer HHI. »Selbst in Gegenden, wo eine Datenverbindung nicht oder nur eingeschränkt möglich ist, ist die Netzabdeckung für Sprachkanäle meist noch gegeben.« Darüber hinaus entstehen kaum zusätzliche Kosten, da weder eine neue Infrastruktur aufgebaut werden muss, noch spezielle Verträge für priorisierte Datenverbindungen mit den Netzbetreibern geschlossen werden müssen. Alles was nötig ist, ist eine einfache Sprachverbindung, wie sie mit jeder Prepaidkarte bereitgestellt wird.

Weltweit erreichbar

Um Drohnen steuern zu können, müssen einerseits Befehle an die Drohne übermittelt, andererseits Informationen wie Position, Höhe oder Akkuzustand an den Controller am Boden übermittelt werden. »Bei den Steuerbefehlen und Ortsinformationen handelt es sich um verhältnismäßig kleine Informationsmengen, die aber zuverlässig übertragen werden müssen,« sagt Piechotta. »Wir wandeln die Befehle in Audiosignale um, ähnlich wie früher bei Modems. Diese übersetzt ein kleines Modul auf der Drohne zurück in den Steuerbefehl. Das Besondere ist, dass diese Art der Übertragung nicht nur in Echtzeit funktioniert und äußerst robust gegenüber Ausfällen und Verbindungsabbrüchen ist. Sie funktioniert auch schon heute, ohne neue Funkstandards, ohne neue Infrastruktur – und zwar weltweit.« Denn da die Übertragung über das normale Mobilfunknetz läuft, ist eine Verbindung zur Drohne an nahezu jedem Punkt der Erde möglich – quasi per Ferngespräch.

Zukunftssichere Steuerung in Echtzeit

Doch wie funktioniert die Steuerung, wenn die Drohne außer Sichtweite – vielleicht sogar am anderen Ende der Welt ist? Visualisiert wird der Standort der Drohne zum Beispiel über Online-Kartendienste wie Google Maps. Position und Höhe des Fluggeräts werden in Echtzeit übertragen und auf der Karte angezeigt. Zusätzlich können die Drohnen mit eigenen Sensoren ausgestattet werden, um spontane Hindernisse, beispielsweise andere Drohnen, Hubschrauber oder Kräne, zu erkennen und zu umfliegen. Die Steuerung erfolgt entweder manuell oder über das Senden von Wegpunkten, was besonders für Anwendungen wie die Paketzustellung interessant ist.

»Funklöchern begegnen wir mit unserem System extrem selten. Sollte ein Netz ausfallen, weicht die Verbindung auf einen anderen Mobilfunkstandard aus, zum Beispiel von LTE auf GSM oder UMTS, und sollte die Verbindung doch einmal abbrechen, ruft die Drohne innerhalb kürzester Zeit automatisch zurück«, erklärt Piechotta. »Ein weiterer Vorteil ist, dass die Technologie absolut zukunftssicher ist: Mobilfunkstandards kommen und gehen – für Sprachkanäle gilt dies nicht. Das Mobilfunknetz wird immer Sprachkanäle zur Verfügung stellen, und solange dies der Fall ist, ist das System eine zuverlässige und kostengünstige Alternative zu konventionellen Datenverbindungen.« Kurzum: Die Drohne ist ab sofort an jedem Ort und zu jeder Zeit erreichbar.

Externer Link: www.fraunhofer.de

technologiewerte.de – MOOCblick August 2018

Spannende Themen, herausragende Dozenten und flexible Lernmöglichkeiten tragen zum wachsenden Erfolg der Massively Open Online Courses (MOOCs) bei – offene, internetgestützte Kurse mit einer Vielzahl an Teilnehmern rund um den Globus.

Folgender Kurs – zu finden auf der MOOC-Plattform edX – sollte einen Blick wert sein:

Cybersecurity Fundamentals
Jonathan S. Weissman (Rochester Institute of Technology)
Start: 07.08.2018 / Arbeitsaufwand: 48-64 Stunden

Externer Link: www.edx.org

Neues Computersystem erkennt Persönlichkeit eines Menschen anhand seiner Augenbewegungen

Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 24.07.2018

Menschen erkennen Gesten und deuten Blicke blitzschnell und nahezu automatisch. Computer und Roboter schaffen dies nicht. Daher forschen Wissenschaftler weltweit daran, wie man die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Computer sozialer, effizienter und flexibler gestalten kann. Informatiker aus Saarbrücken und Stuttgart haben nun zusammen mit Psychologen aus Australien einen wichtigen Meilenstein erreicht. Das von ihnen entwickelte Softwaresystem verarbeitet die Augenbewegungen einer Person, um zu berechnen, ob diese verletzlich, gesellig, verträglich, gewissenhaft oder neugierig ist.

„Mit unseren Augen erfassen wir nicht nur die Umgebung, sie sind auch das Fenster zu unserer Seele. Denn sie verraten, wer wir sind, wie wir uns fühlen und was wir machen“, erklärt Andreas Bulling, der in Saarbrücken am Max-Planck-Institut für Informatik und am Exzellenzcluster der Universität des Saarlandes die Forschungsgruppe „Perceptual User Interfaces“ leitet. Mit Wissenschaftlern in Stuttgart und Australien hat Bulling ein eigenes Softwaresystem so trainiert, dass es Augenbewegungen auswerten und darüber auf die Charakterzüge einer Person schließen kann. Das Forscherteam verwendete dafür spezielle Rechenverfahren des Maschinellen Lernens.

Um die Daten für das Training und die Evaluierung zu erhalten, wirkten an der Flinders University in Australien 50 Studenten, darunter 42 Frauen und acht Männer, im Durchschnittsalter von 22 Jahren mit. Nach ihrer Ankunft im Labor statteten die Forscher die Studenten mit einem sogenannten „Eye Tracker“ aus. Dieser filmte die Augenbewegungen der Probanden, während sie rund zehn Minuten über den Campus schlenderten und sich einen Kaffee oder andere Artikel im Campus-Laden kauften. Danach baten die Wissenschaftler die Studenten, die Brillen abzulegen und spezielle Fragebögen auszufüllen, um so auf herkömmliche Art und Weise die Persönlichkeit und den Grad der Neugierde zu bestimmen.

„Um die aufgenommenen Augendaten unabhängig von der jeweiligen Dauer der Aufnahme zu analysieren, haben wir mit einem verschiebbaren Zeitfenster gearbeitet, da so keine Charakteristika abgeschwächt werden“, erklärt Bulling. Aus jedem der sich ergebenden Zeitfenster gewannen die Forscher 207 Merkmale. Zu diesen gehörten Statistiken über Blickfixierungen ebenso wie die Blinzel-Rate. Basierend darauf und auf den Informationen aus den Fragebögen fassten die Forscher pro Persönlichkeitszug rund 100 Entscheidungsbäume zu einem Klassifikator zusammen und trainierten diesen. Das Ergebnis: Im anschließenden Test mit bisher noch nicht verwendetem Datenmaterial konnten sie nachweisen, dass das Softwaresystem sicher Charakterzüge wie emotionale Labilität, Geselligkeit, Verträglichkeit und Gewissenhaftigkeit erkennt.

„Das so gewonnene Wissen über nonverbales Verhalten können wir auch auf Roboter übertragen, so dass diese sich wie Menschen benehmen. Solche Systeme würden dann auf eine viel natürlichere Weise mit Menschen kommunizieren und wären dadurch effizienter und flexibler einsetzbar“, erklärt Bulling den Nutzen der Forschungsergebnisse. Gemeinsam mit Sabrina Hoppe von der Universität Stuttgart, Tobias Loetscher von der University of South Australia im australischen Adelaide und Stephanie Morey von der Flinders University, ebenfalls in Adelaide, hat Andreas Bulling die Ergebnisse in dem Aufsatz „Eye Movements During Everyday Behavior Predict Personality Traits“ diskutiert, den die Forscher im Journal „Frontiers in Human Neuroscience“ veröffentlicht haben. Das Projekt wurde finanziert aus Mitteln des australischen Forschungsrates, des Exzellenzclusters „Multimodal Computing and Interaction“ an der Universität des Saarlandes und durch ein Promotionsstipendium der Stiftung des deutschen Volkes.

Externer Link: www.uni-saarland.de