Archiv des Autors: PaulWutz

Rechnen mit der Krankheit

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Presseinformation der LMU München vom 03.11.2014

Neue Algorithmen schaffen bessere Voraussetzungen für klinische Studien bei Amyotropher Lateralsklerose: LMU-Bioinformatiker begleiten einen Crowdsourcing-Wettbewerb, der neue Anstöße für die Entwicklung von Medikamenten liefert.

Die Diagnose Amyotrophe Lateralsklerose kommt einem Todesurteil gleich. Die Nervenkrankheit, kurz ALS, zerstört nach und nach Nervenzellen, die die Muskulatur steuern. Die Patienten leiden unter Muskelschwund und Lähmungen, wobei auch Sprechen, Schlucken und Atmung betroffen sind. In der Regel sterben ALS-Kranke drei bis fünf Jahre nach Ausbruch der Krankheit. Doch die Krankheit verläuft nicht bei allen Patienten gleich. „Die unterschiedlichen Krankheitsverläufe machen es sehr schwierig, effektive Behandlungsansätze zu entwickeln“, sagt Dr. Robert Küffner von der Lehr- und Forschungseinheit Bioinformatik der LMU und dem Helmholtz Zentrum München.

Um bessere Voraussetzungen für klinische Studien zu schaffen, hat Küffner mit einem internationalen Wissenschaftlerteam, in Zusammenarbeit mit ALS-Initiativen, Ärzten und dem IBM DREAM Projekt, einen Crowdsourcing-Wettbewerb organisiert. Die Aufgabe war es, Algorithmen zu entwickeln, die den Krankheitsverlauf von ALS vorhersagen können. Denn Computergestützte Rechenmethoden können eine Vielzahl an Patientendaten auswerten und so Informationen zu zukünftigen Krankheitsverläufen und Diagnoseansätzen liefern. Über den Wettbewerb und die zwei besten Algorithmen berichtet das Forscherteam aktuell in der Fachzeitschrift Nature Biotechnology.

Die Teilnehmer am Crowdsourcing-Wettbewerb erhielten anonymisierte Daten von 1822 ALS-Patienten. Für jeden Patienten lagen Daten zu den ersten drei Monaten der Krankheit vor. Die Aufgabe war es, Vorhersagen zu treffen, wie es dem jeweiligen Patienten neun Monate später gehen würde. Um die Vorhersagekraft der Algorithmen zu bewerten, wurde dann das tatsächliche Befinden der Patienten mit den prognostizierten Werten verglichen. „Die zwei besten Algorithmen übertreffen die bisher bekannten Vorhersagemöglichkeiten und die Einschätzungen von Ärzten, die ALS-Patienten betreuen“, sagt Küffner. „Dadurch lassen sich klinische Studien deutlich verbessern. Wenn der Krankheitsverlauf eines Patienten bekannt ist, lässt sich die Wirkung von Medikamenten besser beurteilen.“ Außerdem wurden im Rahmen des Wettbewerbs Kriterien erkannt, die den Krankheitsverlauf vorhersagen können, die bislang nicht dafür herangezogen werden: Werte für Harnsäure und Kreatinin sowie der Blutdruck. „Das zeigt, welch großes Potenzial Crowdsourcing-Wettbewerbe für die ALS-Forschung haben“, sagt Küffner, der die technische Aufsicht über den Wettbewerb geführt hat.

Mehr Daten, neuer Wettbewerb

Die anonymisierten Patientendaten stammten aus klinischen Studien. Sie enthielten beispielsweise Angaben zu den Blutwerten und den motorischen Fähigkeiten der Erkrankten. „Das Problem bei diesen Daten ist, dass sie recht komplex und auch uneinheitlich sind, weil sie aus verschiedenen Labors stammen“, sagt Küffner, der daher die Daten zunächst aufbereitet hat, bevor sie der Crowd zur Verfügung gestellt wurden. 37 Algorithmen wurden schließlich eingereicht. „Viele der Teilnehmer hatten bislang mit medizinischen Anwendungen keine Erfahrung, aber ihre Methoden sind auf die klinischen Daten übertragbar. Das Crowdsourcing hat ganz neue Perspektiven für die Forschung erschlossen und hilft, die tatsächlich besten Rechenmethoden zu finden“, sagt Küffner. Auch die beiden prämierten Algorithmen wurden zuvor noch nicht im klinischen Umfeld eingesetzt. Da ihre Vorhersagekraft sogar besser ist als die Prognose ALS-erfahrener Ärzte, planen die Wissenschaftler, die neuen Vorhersagemethoden in den klinischen Alltag zu überführen. „Damit könnten sie direkt den Patienten zugute kommen“, sagt Küffner.

Der Crowdsourcing-Wettbewerb wurde ermöglicht durch die ALS-Initiative Prize4Life, die zusammen mit dem Neurological Clinical Research Institute vom Massachusetts General Hospital die Open-Access-Datenbank ALS Clinical Trials gegründet hat und auch einen Preis von 50.000 Euro für den besten Algorithmus ausgelobt hatte. Inzwischen enthält die Plattform Daten aus klinischen Studien von insgesamt 8600 Patienten. „Diese Datenmenge ermöglicht es, ALS und den Krankheitsverlauf besser zu verstehen“, sagt Küffner, der inzwischen einen zweiten Crowdsourcing-Wettbewerb mit dem neuen Datenpool vorbereitet.

Publikation:
Nature Biotechnology, online 2. November 2014

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Spin-off der TU Wien bringt optisches Mikrofon zur Marktreife

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Presseaussendung der TU Wien vom 12.11.2014

Unempfindlich gegenüber Wind und Vibrationen, hochpräzise in einem extrem weiten Frequenzbereich: Das Lasermikrofon von Xarion vereint viele Vorteile.

Mit Licht Schallwellen messen – das klingt vielleicht auf den ersten Blick merkwürdig, könnte die akustische Mess- und Aufnahmetechnik aber in vielen Bereichen verändern. An der TU Wien erfand Balthasar Fischer im Rahmen seiner Dissertation am Institut für Photonik (Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik) ein Lasermikrofon, mittlerweile entwickelt er seine patentierte Erfindung in der Startup-Firma Xarion weiter. Dass sich mittlerweile sowohl internationale Großkonzerne als auch Nobelpreisträger für die Erfindung interessieren, ist kein Wunder. Die Schallmessung mit Laserlicht hat viele entscheidende Vorteile.

Lichtwellen statt Membran

In herkömmlichen Mikrofonen wird eine Membran vom Schall in Schwingung versetzt, und diese Schwingung wird dann aufgezeichnet. Dadurch ist das Mikrofon aber auch anfällig für äußere Vibrationen oder Wind und kann akustische Signale manchmal verzerren. Das Mikrofon von Balthasar Fischer kommt ganz ohne Membran aus.

Schallwellen sind nichts anderes als kleine Luftdruckschwankungen. Ändert sich der Luftdruck im Mikrofon, dann ändert sich dort auch die Wellenlänge des Lichts ein kleines bisschen. „Wir verwenden ein ausgeklügeltes Spiegelsystem, das die Lichtwellen eines Laserstrahls nur in einem sehr engen Wellenlängen-Bereich durchlässt. So kann man minimale Wellenlängenänderungen präzise messen“, erklärt Balthasar Fischer.

Vom Elektrotechnik-Forschungslabor zur eigenen Firma

Am Institut für Photonik an der Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik der TU Wien entwickelte Fischer seinen ersten Mikrofon-Prototypen. Unterstützt von der österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) gründete er 2012 gemeinsam mit seinem Kollegen Leonhardt Bauer die Firma Xarion, um seine Idee weiterzuentwickeln und zu vermarkten. Inzwischen arbeiten zehn Leute bei dem jungen Startup-Unternehmen und das erste Produkt ist bereits marktreif.

Im September 2014 hat sich Hans-Peter Porsche finanziell am Unternehmen beteiligt, als Vorsitzenden des Scientific Advisory Board konnte Xarion den deutschen Nobelpreisträger und Laser-Spezialisten Prof. Theodor Hänsch gewinnen. „Die Beteiligung von Porsche war für uns sehr wichtig, um Planungssicherheit zu haben. Hänsch als Berater bringt uns fachlich natürlich immer wieder unglaubliche Vorteile“, sagt Balthasar Fischer.

Leistungsstark bis zum Ultraschall-Bereich

Gewöhnlichen Mikrofonen geht es mit hohen Tönen so ähnlich wie uns Menschen: Mit steigender Frequenz sinkt die Empfindlichkeit, und ab einer gewissen Tonhöhe nimmt man gar nichts mehr wahr. Das Laser-Mikrofon kann dieses Problem beheben. Es zeigt eine gleichbleibend lineare Empfindlichkeit bis in den Ultraschallbereich. „Das ist in der akustischen Messtechnik ganz unerlässlich, zum Beispiel bei der Messung von Lärmimmissionen, aber auch in Bereichen wie der zerstörungsfreien Materialprüfung oder in der Medizintechnik“, sagt Balthasar Fischer.

Das Mikrofon ist mechanisch sehr stabil, es ist unempfindlich gegenüber Wind und Vibrationen, es funktioniert sogar in Flüssigkeiten und es kann seine Signale optisch über ein Glasfaserkabel weitergeben. „Gerade die elektrischen Kabelstrecken, die man sonst in der akustischen Messtechnik benötigt, sind oft ein Problem“, sagt Fischer. Dort können durch elektromagnetische Strahlung von außen Störungen entstehen. Bei einer optischen Datenübertragung ist das kein Problem, da kann man bedenkenlos auch lange Kabelstrecken verwenden.

Eine erste Version des optischen Mikrofons gibt es bei Xarion nun bereits zu kaufen, an weiteren Modellen wird laufend gearbeitet. „Es ging gut voran in diesen zwei Jahren. Es ist aufregend mitzuerleben, wie rasant sich so eine technische Idee entwickeln kann“, sagt Balthasar Fischer. „An neuen Ideen und möglichen Marktnischen mangelt es uns jedenfalls nicht.“ (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Verdrehte Welt – Chemiker bauen molekulares Geländer

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 13.11.2014

Chemikern der Universität Basel ist es gelungen, ein Molekül auf eine neuartige Weise zu verdrehen, indem sie unterschiedlich lange Molekülstränge miteinander verbanden. Dabei windet sich der längere Strang wie ein Treppengeländer um eine zentrale Achse, und es entsteht eine spiegelbildliche Struktur, die über besondere physikalischen Eigenschaften verfügt. Die Resultate wurden in der renommierten Fachzeitschrift «Angewandte Chemie» veröffentlicht.

Die Chemie aller Stoffe wird zu einem wichtigen Teil von ihrer räumlichen Anordnung bestimmt. Viele Moleküle können in zwei Formen vorkommen, die sich wie die linke Hand zur rechten verhalten. Insbesondere der Organismus unterscheidet sehr spezifisch zwischen links- und rechtshändigen Molekülen – ein Wirkstoff kann beispielsweise in der einen Form äusserst aktiv sein, sein Spiegelbild aber überhaupt nicht. Das fundamentale Verständnis dieser sogenannten Chiralität ist deshalb schon lange ein zentrales Thema der forschenden Chemie.

Verbindung unterschiedlich langer Stränge

Die Wissenschaftler um Prof. Marcel Mayor am Departement Chemie der Universität Basel haben einen neuen Ansatz entwickelt, um eine kleines Molekül in eine Form zu bringen, die dem Geländer einer Wendeltreppe ähnlich ist. Die Verbindung zweier unterschiedlich langer Oligomerstränge führt auf molekularer Ebene dazu, dass sich der längere Strang von selbst um den kürzeren windet, um die Längendiskrepanz auszugleichen.

Dabei entsteht eine Helix mit einer definierten links- oder rechtsdrehenden Laufrichtung und das gesamte Molekül wird händig (chiral). Zudem konnten die Forscher zeigen, dass es dem helixförmigen Molekül auch möglich ist, innerhalb einiger Stunden seine Form dynamisch von linkshändig nach rechtshändig und wieder zurück zu wechseln.

«Nicht nur die strukturelle Schönheit macht dieses Molekül so einzigartig», sagt Mayor, «es ist vor allem ein gänzlich neues Konzept, wie eine solche kontinuierliche Helix aufgebaut werden kann.»

Leistungsfähige Verfahren zur Herstellung chiraler Verbindungen sind sowohl in der Grundlagenforschung als auch in der Industrie von Interesse, beispielsweise zur Untersuchung biologischer Systeme, in der Pflanzenschutzchemie sowie in der Pharma- und Riechstoffindustrie. Das Projekt wurde vom Schweizerischen Nationalfonds gefördert.

Originalbeitrag:
Rickhaus, M., Bannwart, L. M., Neuburger, M., Gsellinger, H., Zimmermann, K., Häussinger, D. and Mayor, M.
Induktion axialer Chiralität in einem Geländer-Oligomer durch Längendiskrepanz der Oligomerstränge
Angewandte Chemie (2014) | doi: 10.1002/ange.201408424
Inducing Axial Chirality in a “Geländer” Oligomer by Length Mismatch of the Oligomer Strands
Angewandte Chemie International Edition (2014) | doi: 10.1002/anie.201408424

Externer Link: www.unibas.ch

technologiewerte.de – MOOCblick November 2014

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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:

Responsible Innovation
Jeroen van den Hoven (TU Delft)
Start: 25.11.2014 / Arbeitsaufwand: 30-40 Stunden

Externer Link: www.edx.org

Lecks in Biogasanlagen per Laser aufspüren

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Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 03.11.2014

Biogasanlagen zu warten ist anspruchsvoll. Besonders problematisch sind Lecks, aus denen Methan austritt – sowohl sicherheitstechnisch, wirtschaftlich als auch aus Sicht des Klimaschutzes. Forscher arbeiten an einer Technik, die hilft, Lecks besser aufzuspüren. Ein Laser entdeckt dabei die undichten Stellen aus mehreren Metern Entfernung.

Fast 8000 Biogasanlagen existieren heute in Deutschland. Sie nutzen aus Biomasse gewonnenes Gas, um elektrischen Strom und Wärme zu erzeugen. 2013 haben die Betreiber insgesamt 26,42 Terawattstunden (TWh) Strom produziert. Das entspricht etwa 17 Prozent der Bruttostromerzeugung aus erneuerbaren Energien. In Deutschland werden so mittlerweile 7,5 Millionen Haushalte mit Strom versorgt. Die Anforderungen für den Betrieb und die Instandhaltung der Gasanlagen sind hoch. Besonders problematisch sind Leckagen. Schon kleine undichte Stellen an den Verbindungsstücken der Gasleitungen oder Fermenter können Folgen haben: Durch ausströmendes Methan drohen Brände, wirtschaftlicher Schaden und eine Verschlechterung der Klimabilanz des erzeugten Stroms.

Noch fehlt eine Technologie, die es Betreibern erlaubt, Lecks an allen Anlagenteilen schnell, günstig und sicher aufzuspüren. In einem vom Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) geförderten Projekt haben sich Forscher und ein Messtechnikhersteller jetzt diesem Problem angenommen. Innerhalb von eineinhalb Jahren entwickelten die Experten einen Demonstrator, der aus Lecks entweichendes Bio- oder Erdgas berührungslos via Laser entdeckt. Schneller und genauer, als das bisher möglich war. Beteiligt waren das Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM in Freiburg, das Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT in Oberhausen sowie die Schütz GmbH Messtechnik aus Lahr.

Methan eindeutig identifiziert

Die am Fraunhofer IPM entwickelte Technologie basiert auf der optischen Emissions-und Rückstreuspektroskopie. Dabei nimmt austretendes Methan das Licht eines starken Laserstrahls auf. Gleichzeitig strahlt das Gas einen Teil des Lichts wieder ab. Die Wissenschaftler analysieren diesen Anteil und ermitteln aus dem Absorptionsspektrum der austretenden Substanz die Gaskonzentration. Da das Gasspektrum eindeutig ist, wird sehr selektiv nur Methan gemessen und keine anderen Gase. Die Technik findet in einem kastenförmigen Demonstrator Platz. Er steht auf einem dreifüßigen Stativ und ist auf das zu untersuchende Anlagenteil gerichtet. Der optische Teil des Messsystems umfasst den Laser, den Detektor, die Kamera und den Entfernungsmesser. Ein angeschlossener Tablet-PC sammelt die Daten und wertet sie aus. Auf dem Bildschirm sind die graphisch aufbereiteten Informationen zum ausströmenden Methan und die exakte Position des Lecks zu sehen. Messungen aus maximal 15 Metern Entfernung sind möglich.

Mit dem System können die Forscher besonders genau messen: Sie passten die Wellenlänge des Lasers optimal an. Eine übliche Flanschgröße der Verbindungsstücke von etwa 15 Zentimetern ist mit drei bis vier Messgängen vermessen. Zusätzlich erkennt die Technologie zu hohe Gaskonzentrationen in Räumen und wann diese für den Menschen gefährlich sind. Die Forscher berechnen die Konzentration mit Hilfe der Daten des eingebauten Entfernungsmessers. Der Betreiber weiß damit auch, wieviel Gas bereits ausgetreten ist. Das ist ein weiteres Alleinstellungsmerkmal des neuen Systems.

Mit der Marktreife der Technologie rechnet Dr. Johannes Herbst, Messtechnikexperte vom Fraunhofer IPM, in den nächsten drei bis fünf Jahren. Aktuell feilen die Forscher im Labor bereits an weiteren Funktionen. Es ist ihnen zum Beispiel gelungen, Methan auch ohne das zurückgestreute Licht zu erkennen. Dazu wird das Gas mit Hilfe eines starken Lasers selbst zum Leuchten gebracht. »Zukünftig kann dann das Messteam die gesamte Anlage bequem vom Boden aus überprüfen. Bisher war es nötig, auf Leitern zu steigen und die Lecks an Ort und Stelle zu identifizieren«, so Herbst.

Externer Link: www.fraunhofer.de