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InnateFun: Moleküle stärken Immunsystem

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Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.09.2020

Infektionen stellen für Patienten im Krankenhaus eine steigende Gefahr dar. Das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB hat im Projekt InnateFun zusammen mit mehreren Partnern einen neuen Therapieansatz erarbeitet. Dabei werden die Immunrezeptoren der Zellen so beeinflusst, dass die Zellen die schädlichen Mikroorganismen besser abwehren können. Bei Infektionen mit den auch in Krankenhäusern verbreiteten Hefepilzen der Gattung Candida wurde dieser Therapieansatz bis zum Tiermodell untersucht. Die ersten Ergebnisse sind vielversprechend.

Krankenhäuser sind Orte der Rettung, können aber auch Gefahren bergen. Denn das Risiko, sich bei einem Krankenhausaufenthalt mit Keimen oder Viren zu infizieren, ist nicht unerheblich. Für Patientinnen und Patienten, die ohnehin geschwächt sind oder sich gerade von einer Operation erholen, kann eine zusätzliche Infektion schwerwiegende Komplikationen zur Folge haben. Invasive Infektionen mit Pilzen der Gattung Candida oder Aspergillus sind besonders gefürchtet. Candida findet sich häufig auch als Biofilm auf medizinischen Geräten wie etwa Kathetern. Der herkömmliche therapeutische Ansatz, die Infektion durch Medikamente zu bekämpfen, die die Pathogene abtöten sollen, ist oftmals nicht zielgerichtet genug und stößt da an seine Grenzen, wo die krankmachenden Mikroorganismen resistent geworden sind.

Das Fraunhofer IGB verfolgt im Projekt InnateFun einen neuen Ansatz. Die Stuttgarter Forscherinnen und Forscher machen sich die Fähigkeiten des menschlichen Immunsystems als Verteidigungssystem zu Nutze. Prof. Steffen Rupp, stellvertretender Institutsleiter und Koordinator des Geschäftsfelds Gesundheit, erklärt: »Die grundlegende Idee des Projekts besteht darin, das Immunsystem zu befähigen, schneller, wirksamer und gezielter auf eine Infektion zu reagieren.« Dazu haben am Fraunhofer IGB Dr. Anke Burger-Kentischer und ihr Team Reporter-Zelllinien, die sie selbst etabliert und patentiert haben, mit Molekülen versetzt, die in ihrer Struktur den Pathogenen ähnlich sind, um damit eine Reaktion der Immunrezeptoren auszulösen. Die Idee dahinter: Wenn das Immunsystem auf die Moleküle reagiert, bekämpft es auch die echten Pathogene effektiver.

Immunsystem im Reagenzglas

Was einleuchtend und logisch klingt, ist ein aufwendiger Prozess. »Die Schwierigkeit bestand darin, aus vielen tausend Molekülen diejenigen herauszufinden, bei denen die Reporter-Zelllinien eine Reaktion zeigen«, sagt Dr. Burger-Kentischer. Deshalb wurden zunächst via Computational Chemistry durch das Fraunhofer Project Center for Drug Delivery and Discovery at Hebrew University einige hundert Moleküle herausgefiltert, die als Kandidaten infrage kommen. Dabei handelt es sich um ein in der Pharmaforschung gängiges Verfahren, mit dem man am Rechner die Eigenschaften und Strukturen von Molekülen oder auch Festkörpern untersucht und simuliert. Im zweiten Schritt wurden die Moleküle, die man am Computer nur virtuell gebaut hatte, im Labor chemisch synthetisiert.

Im dritten Schritt setzten die Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer IGB die in einer Lösung befindlichen Substanzen nacheinander auf die speziell hergestellten Zelllinien an. Bei diesem Verfahren, in der Fachsprache als Assay bezeichnet, erkennen die Forscher schließlich an einer Farbreaktion, auf welche Substanzen die Zellen reagieren. Deren Immunrezeptoren aktivieren ein sogenanntes Reporter-Gen, das die Farbreaktion auslöst.

Mit den Molekülen, die bei den In-vitro-Tests eine Reaktion ausgelöst haben, starteten die Versuche in die nächste Phase, dem Ex-vivo-Experiment. Hier wurden die Tests wiederholt, aber diesmal nicht mit den Zelllinien, sondern mit menschlichem Blut und daraus aufgereinigten Immunzellen. Jetzt können die Forschenden sehen, ob und wie die Immunrezeptoren in einer natürlichen (primären) Zelle auch auf die Moleküle (Immunmodulatoren) reagieren.

Die weiteren Parts übernahmen Kooperationspartner, die mit dem Fraunhofer IGB bei InnateFun zusammenarbeiten. Zu den Forschungspartnern gehören das Unternehmen EMC microcollections GmbH in Tübingen, die Hebrew University of Jerusalem in Israel mit dem Fraunhofer Project Center for Drug Delivery and Discovery at Hebrew University, die Katholieke Universiteit Leuven, Belgien, die Universitätsklinik Lille, Frankreich und die Universität Wien. Die Partner übernahmen die Ergebnisse des Fraunhofer IGB und testeten unter anderem im Tiermodell, ob die identifizierten Moleküle eine Auswirkung auf eine erzeugte Pilz-Infektion hatten.

Der Proof-of-Principle ist erreicht

Steffen Rupp sagt: »Inzwischen haben wir den ersten großen Meilenstein erreicht. Wir haben Moleküle gefunden, welche die Immunantwort im menschlichen Blut stark beeinflussen und bei Mäusen eine Pilzinfektion weniger dramatisch ablaufen lassen.«

Wenn diese Art der Therapie nach entsprechenden Entwicklungs- und Genehmigungsverfahren eines Tages auf den Markt kommt, hätten die behandelnden Ärztinnen und Ärzte neben den vorhandenen Therapien eine zusätzliche Waffe im Kampf gegen tückische Infektionen im Krankenhaus.

Die Fraunhofer-Forschenden hoffen, dass der neue Therapieansatz eines Tages nicht nur gegen Pilzinfektionen hilft, sondern auch bei anderen Infektionskrankheiten oder bei Auto-Immunerkrankungen, wie beispielsweise Arthritis oder Schuppenflechte, einsetzbar ist.

Externer Link: www.fraunhofer.de

technologiewerte.de – MOOCblick September 2020

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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:

Robotics
Matei Ciocarlie (Columbia University)
Start: 21.09.2020 / Arbeitsaufwand: 80-100 Stunden

Externer Link: www.edx.org

Effiziente Gastrennung dank poröser Flüssigkeiten

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 11.08.2020

Neues Material eröffnet die Möglichkeit, beim Abtrennen von Rohstoffen für die Kunststoffindustrie bis zu 80 Prozent Energie einzusparen – Publikation in Nature Materials

Ein Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) hat gemeinsam mit Partnern „poröse Flüssigkeiten“ entwickelt: In einem Lösemittel schweben – fein verteilt – Nanoteilchen, die Gasmoleküle verschiedener Größen voneinander trennen. Denn die Teilchen besitzen leere Poren, durch deren Öffnungen nur Moleküle einer bestimmten Größe eindringen können. Die porösen Flüssigkeiten lassen sich direkt einsetzen oder zu Membranen verarbeiten, die Propen als Ausgangsstoff für den weit verbreiteten Kunststoff Polypropylen effizient aus Gasgemischen trennen. Die bislang übliche energieaufwendige Destillation könnte somit ersetzt werden. Über die Ergebnisse berichtet das Team in Nature Materials. (DOI: 10.1038/s41563-020-0764-y).

Propen, auch Propylen genannt, ist einer der wichtigsten Grundstoffe der chemischen Industrie, von dem jährlich weltweit rund 100 Millionen Tonnen verbraucht werden. Der daraus hergestellte „Massenkunststoff“ Polypropylen wird vor allem in Verpackungsmaterialien eingesetzt, aber beispielsweise auch in der Bau- oder Automobilbranche. Gewonnen wird Propen vor allem bei der Aufbereitung von Rohöl oder natürlichem Erdgas, wobei es durch Destillation von anderen Gasen separiert und gereinigt wird. „In der Fachliteratur geht man davon aus, dass die Gastrennung in der Petrochemie mit Hilfe von Membranen nur ein Fünftel der Energie kosten würde, die für Destillationen benötigt wird. Das bedeutet angesichts des hohen Propen-Bedarfs eine Einsparung riesiger Mengen des Treibhausgases CO2“, so Nachwuchsgruppenleiter Dr. Alexander Knebel vom Institut für Funktionelle Grenzflächen des KIT, der bis 2019 an der Leibniz Universität Hannover und in Saudi-Arabien forschte.

So könnte es für die petrochemische Industrie erstmals wirtschaftlich interessant werden, für die Abtrennung von Propen auf Membranen zu setzen. In diesem Projekt arbeitete Knebel mit Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Leibniz Universität Hannover, der King Abdullah University of Science and Technology und des Deutschen Instituts für Kautschuktechnologie zusammen.

Erstmals Metall-Organisches Netzwerk in Flüssigkeiten

Die Forschenden starteten bei ihrer Arbeit mit dem festen Material ZIF-67 (zeolitic imidazole framework), dessen Atome ein Metall-Organisches Netzwerk mit 0,34 Nanometer breiten Porenöffnungen bilden. Dabei veränderten sie Nanopartikel von ZIF-67 gezielt an der Oberfläche. „Dadurch gelang es uns, erstmals ein Metall-Organisches Netzwerk in Flüssigkeiten wie Cyclohexan, Cyclooctan oder Mesitylen fein zu verteilen, also zu dispergieren“, sagt Knebel. Die entstandene Dispersion nennen die Wissenschaftler poröse Flüssigkeit.

Für den Weg durch eine Säule, die mit der porösen Flüssigkeit gefüllt ist, braucht gasförmiges Propen deutlich länger als beispielsweise Methan. Denn Propen wird in den Poren der Nanopartikel gleichsam festgehalten, die kleineren Methanmoleküle hingegen nicht. „Diese Eigenschaft der Dispersion wollen wir künftig ausnutzen, um flüssige Trennmembranen zu erzeugen“, sagt Knebel.

Doch mit den porösen Flüssigkeiten lassen sich auch feste Trennmembranen mit besonders vorteilhaften Eigenschaften produzieren. So stellte das Team Membranen aus einem Kunststoff und dem chemisch modifizierten ZIF-67 her. Dabei konnte es den Anteil an modifiziertem ZIF-67 in der Membran bis auf 47,5 Prozent erhöhen, ohne dass diese mechanisch instabil wurde. Leiteten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine Gasmischung aus gleichen Teilen Propen und Propan über zwei hintereinandergeschaltete Membranen, so erhielten sie Propen mit einem Reinheitsgrad von mindestens 99,9 Prozent, obwohl sich die beiden Gasmoleküle nur um 0,2 Nanometer in ihrer Größe unterscheiden.

Für den praktischen Einsatz einer solchen Membran ist neben dem Trennvermögen entscheidend, wie hoch die Menge eines Gasgemisches ist, die in einer bestimmten Zeit hindurchgeleitet werden kann. Diese Durchflussrate war bei den neuen Membranen mindestens dreimal so hoch wie bei bisherigen Materialien. Knebel ist aufgrund der erzielten Trennwerte davon überzeugt, dass es sich für die petrochemische Industrie erstmals auszahlen würde, zur Gastrennung Membranen statt herkömmlicher Destillationsverfahren einzusetzen.

Entscheidend für die Leistungsfähigkeit der Membranen ist, dass möglichst viele Metall-Organische Partikel einheitlich im Kunststoff verteilt werden können und dass die Poren in den Nanopartikeln bei der Membranherstellung nicht durch Lösemittel verstopft sind, also gleichsam leer bleiben. „Beides konnten wir erreichen, weil wir nicht direkt feste Partikel in die Membran eingearbeitet haben, sondern den scheinbaren Umweg über die porösen Flüssigkeiten gegangen sind“, erläutert Knebel. (ffr)

Originalpublikation:
Knebel, A., Bavykina, A., Datta, S., Sundermann, L., Garzon-Tovar, L., Lebedev, Y., Durini, S., Ahmad, R., Kozlov, S. M., Shterk, G., Karunakaran, M., Carja, I. D., Simic, D., Weilert, I., Klüppel, M., Giese, U., Cavallo, L., Rueping, M., Eddaoudi, M., Caro, J., Gascon, J.: Solution processable metal-organic frameworks for mixed matrix membranes using porous liquids. Nature Materials, 2020. DOI: 10.1038/s41563-020-0764-y

Externer Link: www.kit.edu

eternio: Start-up der Universität des Saarlandes ermöglicht die digitale Trauer

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Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 18.08.2020

Die Folgen von Covid-19 betreffen auch Trauerfälle, denn sie erschweren eine aktive Trauerarbeit und das persönliche Abschiednehmen auf der Trauerfeier. Wie wichtig dies für die Hinterbliebenen ist, hat das Saarbrücker Start-up „eternio“ bereits vor der Pandemie erkannt. Die drei Gründer haben eine gleichnamige Online-Plattform geschaffen, die über die herkömmlichen Trauerkarten und Traueranzeigen hinausgeht.

In Zukunft soll dort sogar künstliche Intelligenz die Erinnerung an Verstorbene schützen. Das Start-up wird dabei unterstützt vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie und der Kontaktstelle für Wissenschaft und Technologietransfer an der Universität des Saarlandes.

„Für das Erstellen einer Gedenkseite fragen wir online nur den Namen der verstorbenen Person ab, den letzten Wohnort und das Sterbedatum“, berichtet Philip Pelgen. Zusammen mit den Informatikern Henrik Bergmann und Max Jakob hat er im Mai 2020 das Start-up „eternio – Gesellschaft für Erinnerungskultur“ gegründet. Nach erfolgreicher Prüfung der Daten erhält die trauernde Person dann den Zugang und kann kostenlos eine multimediale Gedenkseite erstellen, die unbegrenzte Zeit online ist. Darin enthalten sind beispielsweise die Möglichkeit zum Eintragen der Trauertermine oder das Einsammeln von Kondolenzspenden. Für die Nutzung der kompletten Erinnerungsvielfalt verlangen die Gründer einen Mitgliedsbeitrag.

„Berühmte Personen haben einen Eintrag in der Online-Enzyklopädie Wikipedia, doch privaten Personen bleibt diese Möglichkeit zum digitalen Gedenken versperrt“, erklärt Philip Pelgen die Motivation für das Start-up und die gleichnamige Plattform. „Auf eternio soll man jedoch nicht nur nachschauen, wer verstorben ist, sondern sich auch darüber informieren können, wie man die Zeit der Trauer am besten gestaltet.“ Pelgen hat an der Universität des Saarlandes Betriebswirtschaftslehre mit Schwerpunkt Marketing studiert. Seine erste Anstellung führte ihn in ein saarländisches Krematorium. Sein Chef dort erzählte ihm, wie traurig es gewesen sei, keine Details zu der russischen Kriegsgefangenschaft des Vaters gekannt zu haben. Kurz bevor er seinen Vater darauf ansprechen wollte, verstarb er unerwartet. Diese Geschichte brachte Philip Pelgen auf die Idee, eine Online-Plattform für die Trauerarbeit zu entwickeln, die Hinterbliebene auch vernetzen kann und eine Möglichkeit liefert, Erinnerungen festzuhalten. Die Kontaktstelle für Wissens- und Technologietransfer an der Universität des Saarlandes (KWT) unterstützte die Idee von Anfang an und half sowohl bei der Bewerbung für das Intensiv-Gründungsprogramm „Saarland Accelerator“ als auch für das Exist-Gründerstipendium des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie. „Ohne die KWT hätten wir diese Gründerförderung nicht bekommen“, ist sich Pelgen sicher.

„Das Team ist interdisziplinär aufgestellt und hoch motiviert. Die Gründer betreten einen Markt, der noch nicht im Zeitalter der Digitalisierung angekommen ist. Das Potenzial ist klar erkennbar“, erklärt Christine Görgen, Gründungsberaterin an der KWT.  Die Veröffentlichung der Plattform sei nun ein erster wichtiger Meilenstein. Künftig soll Künstliche Intelligenz auf der Plattform nicht nur Trauernden passende Trauersprüche und Bildmotive vorschlagen, sondern auch negative Kommentare erkennen. „Es gibt nichts Schlimmeres als eine verstorbene Person öffentlich zu beleidigen“, begründet dies Pelgen. Ein Trauerchat sei ebenfalls geplant. Zusätzlich etablieren die Gründer gerade eine Kooperation mit Bestattern und den Betreibern von Krematorien. Diese sollen künftig ihre Kundinnen und Kunden beim Beratungsgespräch auf das Angebot von eternio hinweisen. Gleichzeitig suchen die Gründer nach weiteren Finanzierungsquellen, Philip Pelgen ist dabei zuversichtlich. Im vergangenen Sommer hat er 145 Menschen systematisch interviewt und mit über 50 weiteren Personen Prototyp-Tests durchgeführt. „61,5 Prozent der über 40-Jährigen können es sich sehr gut beziehungsweise gut vorstellen, unser Angebot zu nutzen. Unsere Zielgruppe ist also schon bereit, auf digitale Medien in diesem Kontext zurückzugreifen“, so der Gründer.

Auf die Corona-Pandemie und ihre Auswirkungen auf Bestattungen angesprochen, entgegnet Pelgen: „Das war grausam. Wenn man sich mit Trauer beschäftigt, weiß man, wie sehr das erschwerte Abschiednehmen Angehörige und Verwandte getroffen haben muss.“ Daher wird er gemeinsam mit seinen Mitgründern auf der Plattform auch eine Vielzahl von Informationsartikeln über Tod, Gedenken und Trauer anbieten.

Externer Link: www.uni-saarland.de