Archiv des Monats: September 2009

Leuchtende Rosinen im Kuchen

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Presseinformation der LMU München vom 02.09.2009

Nanokristalle könnten Krebsmedikamente effizienter machen

Wirkstoffe gegen Krebs haben häufig unerwünschte Nebenwirkungen. Ziel neuartiger Krebstherapien ist daher, den Wirkstoff möglichst effizient in den Tumor einzubringen und dadurch den Körper so wenig wie möglich zu belasten. Wissenschaftler um Dr. Manfred Ogris von der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) München haben nun in einer fächerübergreifenden Studie ein Verfahren entwickelt, mit dem sich die zeitliche Verteilung der Wirkstoffe im Körper sehr genau beobachten lässt. Dabei werden fluoreszierende Nanokristalle an sogenannte Genfähren gekoppelt. Diese werden in den Tumor eingeschleust und erst dort in Proteine umgewandelt, die dann die Krebszellen gezielt angreifen können. Mithilfe von Licht im Nahinfrarot-Bereich konnten Ogris und sein Team nun durch die Fluoreszenz der Nanokristalle verschiedene Arten von Genfähren beobachten und deren Verteilung im Körper im Sekunden- und Minutenbereich verfolgen. Die neue Methode könnte es in Zukunft erleichtern, gezielt wirkende Krebsmedikamente zu entwickeln und weiter zu verbessern (Molecular Therapy, Online Edition).

Bösartige Tumoren besitzen eine besondere Eigenschaft: Sie haben ein System aus Blutgefäßen, das im Gegensatz zu gesundem Gewebe löchrig und damit für größere Teilchen durchlässig ist. Um solche Tumoren effizient zu behandeln, haben Wissenschaftler in den letzten Jahren Trägersysteme entwickelt, mit denen Wirkstoffe in das Tumorgewebe transportiert werden können. Damit ist es möglich, das bösartige Gewebe gezielt anzugreifen und zugleich unerwünschte Nebenwirkungen zu reduzieren. Ein wesentlicher Faktor für die Entwicklung effizienter Transportsysteme ist die zeitliche Verteilung der Wirkstoffe im Körper. Ziel dabei ist, dass diese nicht sofort über die Leber oder die Niere wieder ausgeschieden werden. Stattdessen sollen sie zunächst im Blut zirkulieren und sich dann vor allem im Tumorgewebe anlagern.

Nun hat ein Team aus Pharmazeuten, Biologen und Physikern um Dr. Manfred Ogris vom Department Pharmazie der LMU erstmals eine Methode entwickelt, mit der sich die Verteilung von Wirkstoffen im Körper zeitlich sehr genau beobachten lässt. Dr. Andrey Rogach und sein Team vom Department Physik der LMU und dem Münchner Center for NanoScience (CeNS) entwickelten sogenannte Quantumdots: Winzige Kristalle aus dem Halbleitermaterial Cadmiumtellurid, die gerade einmal zwei bis acht Nanometer (Millionstel eines Millimeters) groß sind. Diese Kristalle haben die Eigenschaft, bei Bestrahlung mit Licht höherer Energie je nach der Größe in verschiedenen Farben zu fluoreszieren. „Im Gegensatz zu bisher entwickelten Quantumdots sind diese Partikel direkt im Wasser hergestellt und dadurch sehr klein“, erläutert Rogach. „Außerdem leuchten sie nicht nur im sichtbaren, sondern auch im nahinfraroten Spektralbereich – eine Eigenschaften, die speziell für Anwendungen im Gewebe sehr wichtig ist.“

Im nächsten Schritt koppelten die Wissenschaftler im Team von Ogris die Quantumdots an Genfähren, die einen DNA-Abschnitt sowie ein positiv geladenes Makromolekül enthalten. „Mithilfe der DNA-Sequenz werden später im Tumor Proteine hergestellt, die selektiv die Tumorzellen angreifen“, erläutert Ogris. „Das Makromolekül dient dagegen dazu, die negativ geladenen Quantumdots fest an die Genfähre zu koppeln und zu verpacken. Die winzigen Teilchen werden dabei in das Molekül eingelagert wie Rosinen in einen Kuchen.“ Die Wissenschaftler bezeichnen diese Strukturen als „Quantoplexe“. Durch Bestrahlung mit Licht im Nahinfrarot-Bereich – der sogenannten Fluoreszenz-Nahinfrarot-Spektroskopie – kann nun die Verteilung der Partikel im Körper zeitlich exakt verfolgt werden.

Zunächst beobachteten Ogris und sein Team die Verteilung der Quantumdots ohne angehängte Genfähre. Dazu spritzten sie die Partikel Mäusen, die durch ein Betäubungsmittel ruhig gestellt waren, und nahmen alle 15 Sekunden ein Bild des Körpers auf. Dadurch konnten sie eine typische zeitliche Verteilung im Körper beobachten: Unmittelbar nach der Injektion fanden sich die Teilchen vor allem im Blut, in den Lymphgefäßen und in der Leber. Nach wenigen Stunden wurde dann der Großteil wieder über die Leber ausgeschieden. Waren die Partikel dagegen an Genfähren gekoppelt, die eine Größe von 100 bis 300 Nanometer besitzen, zeigte sich ein deutlich anderes Verteilungsbild: Nun lagerte sich ein Großteil der Teilchen in der Lunge, ein kleinerer Teil in der Leber an.

„Diese Verteilung ist natürlich nicht immer gewünscht“, erläutert Ogris. „Daher haben wir in einem weiteren Experiment die Oberfläche der Genfähren mit einem anderen Makromolekül, dem sogenannten Polyethylenglykol oder PEG, abgeschirmt.“ Tatsächlich verhinderte diese Abschirmung eine Wechselwirkung der Teilchen mit dem Blut – mit dem Effekt, dass sich deutlich mehr Moleküle im Tumor beobachten ließen. Und obwohl die Genfähren im Blut schon nach wenigen Minuten in die Leber transportiert wurden, war noch 15 Minuten nach der Injektion ein deutliches Signal im Tumorgewebe zu erkennen – ein Zeichen, dass die in den Tumor gewanderten Partikel dort auch längere Zeit verbleiben.

„In Zukunft könnten fluoreszierende Nanokristalle wesentlich dazu beitragen, Trägersysteme zur Behandlung von Tumoren zu untersuchen und nachhaltig zu verbessern“, sagt Ogris. Dies sei zwar momentan nur im Tiermodell möglich, da das verwendete Cadmiumtellurid langfristig giftig ist und in sehr geringen Mengen im Körper verbleibt. „Wesentlich für die Entwicklung neuer Krebsmedikamente ist jedoch, zunächst ihre Verteilung im Körper und ihre Wirkmechanismen genau zu verstehen“, betont Ogris. So wollen die Forscher als nächstes mithilfe von Quantumdots Genfähren untersuchen, die nur bestimmte, tumorspezifische Rezeptoren erkennen und so den Tumor gezielt angreifen. (ca)

Publikation:
„Drug Nanocarriers Labeled With Near-infraredemitting Quantum Dots (Quantoplexes): Imaging Fast Dynamics of Distribution in Living Animals“; Arkadi Zintchenko, Andrei S. Susha, Massimo Concia, Jochen Feldmann, Ernst Wagner, Andrey L. Rogach, Manfred Ogris; Molecular Therapy, Online Edition; 25. August 2009; DOI: 10.1038/mt.2009.201

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Metaklett, der stählerne Klettverschluss

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Pressemitteilung der TU München vom 02.09.2009

Abgeschaut von der Natur

Klettverschlüsse haben sich auf breiter Front in Industrie und Haushalt durchgesetzt. Doch sie haben einen Haken: Für viele Anwendungen sind sie zu schwach. Am Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen der Technischen Universität München wurden nun Klettverschlüsse aus Federstahl entwickelt. Sie sind gegen Chemikalien beständig und halten auch bei 800°C noch einem Zug von bis zu 35 Tonnen pro Quadratmeter stand.

Als der Schweizer Erfinder George de Mestral nach einem Jagdausflug vor über 60 Jahren mal wieder mühsam die vielen Kletten aus dem Fell seines Hundes zupfen musste, kam ihm eine geniale Idee: Nach dem Vorbild der Natur konstruierte er einen Verschluss aus vielen kleinen Schlingen und Haken, den Klettverschluss. „Der unschlagbare Vorteil einer Klettverbindung ist, dass sie einfach zu schließen und wieder zu öffnen ist,“ erläutert Josef Mair, Mitarbeiter am Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen (utg) der TU München. Das Haken-Ösen-Prinzip kommt deshalb vielseitig zum Einsatz: Als Alternative zu Schnürsenkeln, zum Befestigen medizinischer Bandagen und Prothesen oder als Kabelschutzmanschetten in der Elektronik von Automobilen und Flugzeugen.

Leider sind gängige Klettverbindungen aus Kunststoff nicht besonders beständig gegenüber Hitze und aggressiven Chemikalien. „Doch beispielsweise im Automobilbereich kann es sehr heiß werden. Schon ein in der prallen Sonne abgestelltes Fahrzeug erreicht Temperaturen von 80 °C. In der Nähe des Abgaskrümmers entstehen Temperaturen von mehreren Hundert °C. In Krankenhäusern werden zur Reinigung aggressive Desinfektionsmittel eingesetzt und beim Fassadenbau sind herkömmliche Klettbänder zu schwach,“ erläutert Mair die Problemlage. Unter der Leitung von Professor Dr.-Ing. Hartmut Hoffmann entwickelte das utg im Rahmen eines 2005 gestarteten Verbundprojektes des Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) in enger Kooperation mit Partnern aus der Industrie eine Lösung: „Metaklett“, die stählerne Klettverbindung.

Temperaturen über 800 °C oder aggressive Lösungsmittel sind kein Problem für „Metaklett“ – und das bei einer Haltekraft von bis zu 35 Tonnen pro Quadratmeter bei Zug parallel zur Klettfläche. Senkrecht zur Klettfläche hält sie immer noch einer Zugkraft von sieben Tonnen pro Quadratmeter stand. Dennoch kann sie jedermann rasch und ohne jegliches Werkzeug lösen und wiederverschließen, wie einen Klettverschluss am Kinderschuh.

Als Werkstoff wählten die Forscher einen Federstahl, der hohe elastische Verformbarkeit mit hoher Festigkeit vereint. Am Computer entwarfen sie verschiedene dreidimensionale Modelle für das optimale Ineinandergreifen der Elemente. Vielversprechende Kandidaten bauten sie als Prototypen nach und unterzogen sie umfangreichen Tests. Allein von der „Flamingo“ getauften Geometrie wurden rund 40 Variationen am Computer getestet. Dabei studierten sie ihre Bindungsstärke und ihr Verhalten bei extremen Temperaturen, um die Grenzen ihrer Belastbarkeit auszuloten.

Zwei der geprüften Modelle machten schließlich das Rennen: ein Schnappverschluss, nämlich der Flamingo, und ein Haken-Ösen-System mit dem Namen Entenkopf. Beide bestehen aus einem 0,2 mm dicken Hakenband und einem ebenso dicken Ösen- oder Lochband. Das Entenkopfmodell ist dem etablierten Kunststoff-Klettband nachempfunden. Zahlreiche filigrane Stahlhaken können in jedem beliebigen Winkel in die Ösen eines Stanzflauschbandes greifen.

Noch stabiler ist die zweite Variante, der Flamingo. Er besteht aus breiteren Hakenelementen, die in die Durchbrüche eines Lochbandes einschnappen. Sie sind so gekrümmt, dass sie sich auf leichten Druck hin elastisch verformen und in die Löcher gleiten, ähnlich der Kunststoff-Steckschnallen an Rucksackriemen. Sie kehren sofort zu ihrer Ausgangsform zurück und halten durch die federnd spreizenden Arme wie ein Spreizniet einem Gegenzug stand.

Damit die Haken einschnappen können, müssen sie allerdings erst im richtigen Winkel, nämlich parallel oder senkrecht zum Lochband positioniert werden. Je nach Richtung der anliegenden Kraft hält diese Verbindung einer Belastung von 7 bis 35 Newton pro Quadratzentimeter stand. Nach einem anfänglichen Verlust von etwa 20 Prozent während der ersten zehn Versuche blieb die Bindungsstärke über unzählige Wiederholungen hinweg konstant.

„Die tierischen Namen sind entstanden, um die vielfältigen Modelle zu unterscheiden. Die Hakenformen erinnern entfernt an einen Entenkopf und einen Flamingo auf einem Bein.“ erklärt Hr. Mair die kreative Nomenklatur. Als dritte Alternative konzipierten die Wissenschaftler das Modell „Hybrid“, das ein Hakenband aus Stahl mit einem Flauschband aus Kunststoff kombiniert und so Textilien auf stabile, reversible Art befestigen kann.

Mögliche Einsatzfelder für Metaklett sind prinzipiell alle Bereiche, die auf leicht wieder lösbare aber stabile Verbindungen angewiesen sind, beispielweise die Gebäudetechnikindustrie, insbesondere der Klima- und Lüftungsbau sowie der Fahrzeugbau. „Metaklett eignet sich für vielfältige Anwendungen, bei denen die Kombination aus einfacher Herstellung und hoher Belastbarkeit der Verbindung entscheidend ist,“ begründete die Jury des Stahl-Innovationspreises die Auszeichnung des Projekts. Bei diesem nur alle drei Jahre vergebenen Preis konnte sich der metallische Klettverschluss in der Kategorie „Stahl in Forschung und Entwicklung“ gegen über 100 Mitbewerber durchsetzen und wurde am 30. Juni mit dem dritten Platz gekürt.

Das Forschungsprojekt wurde mit Mitteln des Bundessministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) innerhalb des Rahmenkonzepts „Forschung für die Produktion von morgen“ gefördert.

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Ein Besen aus Licht soll Farblaser billiger machen

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Pressemitteilung der Universität Bonn vom 31.08.2009

Bonner Physiker präsentieren neue Methode in „Nature Photonics“

Mit einem Besen aus Licht lassen sich bestimmte Materialien, die in grünen Lasern zum Einsatz kommen, effektiv und vor allem preiswerter als bisher möglich reinigen. Ersonnen wurde die neue Methode von Physikern der Universität Bonn. Mit ihr lassen sich beispielsweise bestimmte Farblaser weit preiswerter als bislang herstellen. Die Forscher haben ihre Ergebnisse nun in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Photonics“ veröffentlicht (Nature Photonics 3, 510-512 (2009)).

Was Silizium für die Entwickler von Computerchips, ist für Laserphysiker eine Substanz namens Lithiumniobat. Diese Stellung verdanken die durchsichtigen Kristalle vor allem einer schönen Eigenschaft: Sie können die Farbe von Laserlicht verändern. Dazu müssen sie allerdings ausreichend sauber sein. Und diese Reinigung war bislang ein schwieriges und teures Unterfangen.

Es sind vor allem durch Licht umverteilbare Elektronen im Lithiumniobat, die die Farbumwandlung behindern. Sie zerstreuen das eingestrahlte Laserlicht und verringern so die Ausbeute. Die Forscher um den Bonner Physiker Professor Dr. Karsten Buse konnten diese freien Elektronen nun mit einem Besen aus Licht aus dem Kristall kehren.

Dazu bewegten die Forscher das Lithiumniobat durch einen schmalen, sehr intensiven Lichtstrahl. „Dieser Lichtstrahl regt die störenden Elektronen im Material an und erzeugt einen gerichteten Strom“, erläutert Michael Kösters, der auf diesem Gebiet an seiner Doktorarbeit arbeitet. „Die Elektronen werden vom Lichtstrahl auf eine Seite des Kristalls gebürstet und häufen sich dort an.“

Bei Raumtemperatur käme der Prozess bald zum Erliegen, da sich die Elektronen gegenseitig abstoßen. Irgendwann könnte der Lichtbesen gegen diesen elektrostatischen Effekt nichts mehr ausrichten. „Wir haben den Kristall daher auf 180 Grad erhitzt“, sagt Kösters Kollege Dr. Daniel Haertle. „Bei diesen Temperaturen werden positiv geladene Teilchen – meist Wasserstoff- und Lithium-Ionen – im Lithiumniobat beweglich. Sie wandern mit den Elektronen mit und kompensieren deren negative Ladung.“

Die Forscher konnten die Zahl der störenden Elektronen so unter die Nachweisgrenze senken. „Wir können das Material auf diese Weise theoretisch komplett sauber bekommen“, sagt Professor Buse. Der Inhaber des Heinrich-Hertz-Stiftungslehrstuhls der Deutschen Telekom hat das Verfahren inzwischen zum Patent angemeldet und an einen der weltgrößten Hersteller von Lithiumniobat lizensiert.

Und wozu der Aufwand? „Anders als für Rot und Blau, gibt es bislang keinen vernünftigen grünen Halbleiterlaser“, sagt Buse. Was es aber gibt, sind kostengünstige Infrarotlaser. Und hier kommt das Lithiumniobat ins Spiel: Wenn ein derartiger Kristall mit intensivem infrarotem Laserlicht bestrahlt wird, beginnen die Elektronen in ihm zu schwingen. Dabei entstehen wie bei einer zu stark gezupften Gitarrenseite „Obertöne“. Diese haben eine höhere Frequenz und damit eine andere Farbe: Aus Infrarot wird Grün. Das Lithiumniobat muss aber robust genug für die hohen Lichtintensitäten sein.

Und warum hält man nicht einfach einen Grünfilter vor den Laser? Bei Sonnenlicht funktioniert das, weil die Sonne streng genommen nicht weiß ist, sondern bunt: Sie sendet Licht der unterschiedlichsten Frequenzen aus. Ein Grünfilter lässt nur den grünen Anteil des Sonnenlichts durch; für alle anderen Farben ist er undurchlässig: Wir sehen grün. Licht „umfärben“ kann ein Filter dagegen nicht: Wenn wir das grüne Licht anschließend durch einen Rotfilter laufen lassen, sehen wir nicht etwa rot, sondern schwarz. Da Grünlicht keine roten Anteile enthält, blockiert der Rotfilter es komplett. Laserlicht ist ebenfalls einfarbig oder „monochromatisch“; ein Infrarotlaser hat daher keinen grünen Anteil, der sich einfach herausfiltern ließe.
 
Laserbeamer – so klein wie ein Stück Würfelzucker

Grüne Laser sind beispielsweise für medizinische und biologische Anwendungen wichtig. Die Hauptinteressenten sitzen jedoch in der Unterhaltungsindustrie. Denn mit farbigen Lasern lassen sich beispielsweise winzig kleine kostengünstige Mini-Beamer herstellen, die sich etwa in Handys oder Digitalkameras einbauen ließen. Erste Prototypen derartiger Laser-Projektoren gibt es bereits.

Konkurrenz erwächst ihnen durch die so genannten LED-Beamer, die bereits am Markt erhältlich sind. Doch Laser bieten verschiedene Vorteile. So erlauben sie einerseits eine weitere Miniaturisierung. „Die gesamten optischen Komponenten eines Mini-Laserprojektors sind kleiner als ein Stück Würfelzucker“, erklärt Karsten Buse. „Außerdem muss man Laserprojektoren nicht fokussieren. Ihr Bild ist immer gestochen scharf – selbst wenn man es auf gewölbte Oberflächen wirft.“ (Frank Luerweg)

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