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

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

Mehr Sicherheit für sensible Daten: EU-Projekt PRISMACLOUD zieht erfolgreiche Schlussbilanz

Pressemeldung der Universität Passau vom 24.07.2018

Zweimal mit dem schwarzen Filzstift drüber und dann durch den Kopierer lassen: So stellte man früher sicher, dass ein Dokument nur noch an den gewünschten Stellen lesbar war. Wissenschaftler des Lehrstuhls für IT-Sicherheit an der Universität Passau haben im EU-Forschungsprojekt PRISMACLOUD erfolgreich neuartige kryptographische Methoden eingesetzt, um für mehr Sicherheit und Datenschutz für Nutzerinnen und Nutzer der Cloud zu sorgen – u. a. durch eine Form der digitalen Schwärzung, die sensible Daten zukünftig deutlich sicherer macht.

„PRISMACLOUD erarbeitet ein Portfolio neuartiger Cloud Services, um die nötige Sicherheit sensibler Daten in der Cloud mit kryptographischen Verfahren zu erhöhen“, so Projektleiter Prof. Dr. Joachim Posegga, Inhaber des Lehrstuhls für IT-Sicherheit an der Universität Passau.

Im Fokus: Sicherung von Gesundheitsdaten

An der Universität Passau lag der wissenschaftliche Fokus auf der Sicherung von Gesundheitsdaten gegen unerkannte unerlaubte Änderung (Schutz der Integrität). Für Patientinnen und Patienten ist alleine schon die Frage, wer Daten über medizinische Behandlungen in welchem Maße einsehen und verwenden können soll, sehr sensibel: „Der Krankenkasse möchte man die Behandlung belegen, aber nicht unbedingt deren Ergebnisse. In anderen Situationen kann es wichtig sein, dass die Echtheit der Daten zweifelsfrei beweisbar ist. Und ganz sicher wollen Patienten nicht riskieren, dass Drittanbieter, welche die Daten verwalten, in irgendeiner Weise Eingriffe vornehmen können“, erklärt Henrich C. Pöhls, der den Schwerpunktbereich zur Entwicklung sicherer Cloud-Services innerhalb des international besetzten Forschungsprojektes koordiniert hat.

Rechenfehler der Cloud werden sofort erkennbar

Der Fokus von PRISMACLOUD liegt daher auf kryptographischen Methoden zur Erhöhung der Sicherheit und der Privatsphäre für Cloud-Nutzerinnen und -Nutzer, sowie auf der Umsetzung dieser Methoden in der Software. Dabei wurde durch das sogenannte „verifiable computing“ erreicht, dass das Ergebnis einer korrekten statistischen Berechnung aus zuvor signierten Eingangswerten auch eine prüfbare digitale Signatur trägt. Diese Signatur erlaubt, dass die Korrektheit der statistischen Berechnung stets geprüft werden kann. „Rechenfehler der Cloud fallen damit sofort auf und der Arzt oder Cloud-Kunde kann sich umgehend beschweren“, so Pöhls.

Schwärzen ja – aber die Signatur bleibt erhalten

Des Weiteren ermöglicht PRISMACLOUD, abermals über die praktische Implementierung geeigneter Kryptographie in modernen Cloud-Services, integritäts-gesicherte Dokumente nachträglich so zu „schwärzen“, das gewisse Bereiche von signierten Gesundheitsdaten hinterher unwiederbringlich gelöscht sind. Dennoch behält die digitale Signatur für die restlichen Daten ihre Gültigkeit. Dies wird durch sogenannte „editierbare Signaturen“ („redactable signatures“) bewerkstelligt, deren Einsatzmöglichkeiten, kryptographische Feinheiten und rechtliche Relevanz am Lehrstuhl für IT-Sicherheit von Henrich C. Pöhls erforscht werden.

Sichere Cloud benötigt Zusammenarbeit unterschiedlicher Expertinnen und Experten

Der Projektbeitrag der Universität koordinierte zugleich auch die Interaktion zwischen Expertinnen und Experten aus den drei beteiligten – zum Teil recht unterschiedlichen – Disziplinen: Kryptographie, Software-Entwicklung und Anwendungs-Experten. „Erst wenn diese drei Gruppen eine gemeinsame Sprache sprechen und koordiniert zusammenarbeiten, fördert dies den schnellen und sicheren Einsatz auch modernster kryptographischer Verfahren in der Praxis“, fasst Henrich C. Pöhls den Lösungsansatz von PRISMACLOUD zur Entwicklung sicherer Cloud-Services zusammen. Er koordinierte hierzu die Zusammenarbeit der internationalen Experten aus Industrie und akademischer Forschung und entwickelte hierfür geeignete Kommunikationsstrategien und -hilfsmittel.

Die EU förderte PRISMACLOUD von 2015-2018 mit rund acht Millionen Euro aus dem 8. Forschungsrahmenprogramm HORIZON 2020 (Vereinbarung Nr. 644962), zudem erhielt PRISMACLOUD rund 500.000 Euro Fördermittel von SERI-Swiss State Secretariat for Education. Die Gesamtprojektleitung hat das Austrian Institute of Technology inne. (Katrina Jordan)

Externer Link: www.uni-passau.de

Erstmals Moleküle in Halbleiterstrukturen elektrisch kontaktiert

Medienmitteilung der Universität Basel vom 12.07.2018

Elektrische Schaltkreise werden immer weiter verkleinert und um bestimmte Funktionen erweitert. Eine neue Methode erlaubt es nun, einfache Moleküle auf einem konventionellen Silizium-Chip in elektrischen Kontakt zu bringen. Das Verfahren verspricht Fortschritte in Sensortechnik und Medizin, wie Chemiker der Universität Basel und Forscher von IBM Research – Zurich in Rüschlikon in der Fachzeitschrift «Nature» berichten.

Als Weiterentwicklung der Halbleitertechnologie versucht die molekulare Elektronik, Bauelemente für Schaltkreise aus einzelnen Molekülen anstatt aus Silizium herzustellen. Moleküle eignen sich wegen ihrer besonderen elektronischen Eigenschaften für Anwendungen, die sich mit herkömmlicher Siliziumtechnologie nicht realisieren lassen. Dafür nötig sind aber zuverlässige und kostengünstige Methoden, mit denen an den Enden eines Moleküls ein elektrischer Kontakt angelegt werden kann.

Tausende Elemente herstellbar

Forscher der Universität Basel und von IBM Research – Zurich haben nun ein Verfahren entwickelt, bei dem sich ein elektrischer Kontakt zu einzelnen Moleküle herstellen lässt. Tausende von stabilen Metall-Molekül-Metall-Bauelementen lassen sich gleichzeitig herstellen, indem ein Film von Nanopartikeln auf die Moleküle deponiert wird. Die Eigenschaften der Moleküle werden dabei nicht beeinträchtigt. Um diesen Ansatz zu zeigen, wurden Alkandithiol-Verbindungen aus Kohlen-, Wasserstoff und Schwefel eingesetzt.

Die Forschenden verwendeten dabei eine Art Sandwichbauweise: In der Mitte befindet sich eine Schicht Moleküle, die von oben und von unten von metallischen Elektroden kontaktiert wird. Die untere Elektrode besteht aus einer Schicht Platin, auf die eine elektrische Isolationsschicht aufgetragen wird. Hier hinein wurden nun winzige Poren geätzt, sodass ein beliebiges Muster von unterschiedlich grossen Kompartementen entsteht, in denen ein elektrischer Kontakt zur Platin-Elektrode besteht.

Selbstorganisierende Schichten

Anschliessend machten sich die Forscher die Fähigkeit von bestimmten Molekülen zunutze, sich eigenständig anzuordnen. Auf das Vertiefungsraster gaben sie eine Flüssigkeit mit Alkandithiol-Molekülen, die sich selbst zu einem dichtgepackten Film organisieren. In diesem Film sind die einzelnen Teilchen regelmässig angeordnet und mit der unteren Platin-Elektrode elektrisch verbunden. Der elektrische Kontakt zur Molekülschicht wurde durch eine obere Elektrode aus Gold-Nanopartikeln hergestellt.

Mit dem neuen Verfahren können die bisherigen Probleme bei elektrischer Kontaktierung von Molekülen – wie hohe Kontaktwiderstände oder Kurzschlüsse durch den Film – weitgehend gelöst werden. Die mit dieser Methode fabrizierten Bausteine sind unter Normalbedinungen einsetzbar und langzeitstabil. Die Methode lässt sich auf verschiedene molekulare Systeme übertragen und eröffnet neue Wege, molekulare Verbindungen in Festkörper zu integrieren. Anwendung finden könnte sie in neuartigen Geräten in der Sensortechnik und der Medizin.

«Unser Ansatz wird dazu beitragen, die Entwicklung von chemisch konstruierten und regelbaren elektronischen und sensorischen Bauelementen zu beschleunigen», sagt Prof. Dr. Marcel Mayor vom Departement Chemie der Universität Basel. Das Projekt wurde massgeblich vom Nationalen Forschungsschwerpunkt «Molecular Systems Engineering» gefördert, an dem die Universität Basel und die ETH Zürich als Leading Houses beteiligt sind.

Originalbeitrag:
Gabriel Puebla-Hellmann, Koushik Venkatesan, Marcel Mayor, and Emanuel Lörtscher
Metallic nanoparticle contacts for high-yield, ambient-stable molecular-monolayer devices
Nature (2018), doi: 10.1038/s41586-018-0275-z

Externer Link: www.unibas.ch

Hightech-Zahnersatz: Mit Nanotechnik gegen Bakterien

Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 04.07.2018

Entzündungen von Zahnimplantaten bereiten große Probleme – Mikro- und Nanotechnik bremst Bakterien aus – Forscher des KIT optimieren Zahnersatz mit nanostrukturierten Oberflächen

Gefäßerweiternde Stents, „Labs-on-Chip“ für Analysen auf kleinster Fläche, 3-D-Zellkultursysteme für die Geweberekonstruktion: Mikrotechnik wird für die Medizintechnik immer wichtiger. Auch in der Implantologie öffnet sie neue Potenziale. Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben gemeinsam mit Experten für Zahnimplantate eine nanostrukturierte Oberfläche entwickelt, welche die Wundheilung nach der Implantation künftig beschleunigen und besser gegen den Einfall von Bakterien schützen kann.

„Mikrotechnik kann Zahnimplantate nachhaltig verbessern“, sagen Professor Andreas Guber und Dr. Ralf Ahrens, die am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) des KIT die Forschungsgruppe „Biomedizinische Mikrotechnik“ (BioMEMS) leiten. Moderne Zahnimplantate bestehen aus einer Titan-Schraube, die als Wurzelersatz in den Kieferknochen eingebracht wird, einem damit verbundenen „Stützpfeiler“ – auch „Abutment“ genannt – aus Titan für den Zahnersatz und der sichtbaren Zahnkrone. Titan ist das Material der Wahl. Es ist biokompatibel und sorgt für ein gutes Einwachsen der Schraube in den Knochen, die so genannte Osseointegration. Optimierungen von Zahnimplantaten fokussierten sich bislang vor allem auf die Titanoberfläche der Schraube, um diesen Prozess weiter zu verbessern. Problematisch ist aber, dass Zahnimplantate sich auch nach erfolgreicher Osseointegration entzünden können.

Haupteinfallstor für Bakterien ist das Abutment. An diesem Implantteil wächst das Zahnfleisch häufig nicht richtig an. Dadurch können sich Taschen bilden, über die Bakterien bis zum Kieferknochen gelangen und dort Entzündungen hervorrufen können. In diesem Fall bleibt in der Regel nur die Entfernung des gesamten Implantats. Diese potentielle Problemstelle will das BioMEMS-Team schließen. Die Forschungen basieren auf einer beim Implantat-Spezialisten „Abutments4life“ entwickelten Optimierung: Kaum haarbreite Rillen umlaufen das Abutment und steuern die für die Wundheilung zuständigen Zellen gezielt in die richtige Richtung. So kann die Wunde schneller verheilen. „An diesem System setzen wir an“, berichtet Patrick Doll, Wissenschaftler am IMT. Bei der Weiterentwicklung stehen zwei Dinge im Fokus. Zum einen eine präzisere Strukturierung der Rillen für eine noch genauere Steuerung der Zellen und zum anderen die Suche nach der optimalen Nanooberfläche, die den Bakterien möglichst wenige Chancen zum Andocken bietet.

Mit dem Elektronenstrahlschreiber hat Doll säulenförmige Strukturen mit einem Durchmesser von 100 Nanometern und einer Höhe von 500 Nanometern hergestellt, hieran Adhäsionsexperimente mit typischen Testkeimen wie S. Aureus, E coli oder P. aeruginosa durchgeführt und die Strukturen dabei immer wieder verändert. Dabei zeigte sich: Abhängig von Abstand und Anordnung der Säulen reduziert sich die Anhaftung der Bakterien und die Bildung eines Biofilmes verzögert sich. Den nachwachsenden Zellen bleibt dadurch mehr Zeit, um die Wunde zu verschließen – ein Effekt, den ansonsten nur Antibiotika erzielen.

„Wir glauben, dass unser struktureller Ansatz zukunftsweisend ist“, betont Doll. Die Herstellung der Nano-Strukturen gelingt auf Silizium-Basis fehlerfrei und reproduzierbar. Verfahren für die Übertragung auf Titan haben die Wissenschaftler im Zuge des Projektes ebenfalls entwickelt. Nach der ersten Forschungsphase im Labor soll in Kürze die präklinische Erprobung folgen. Anwendungspotenziale über die Zahnmedizin hinaus sehen die Experten unter anderem bei Knochenplatten, Hörimplantaten oder künstlichen Gelenken.

Das Projekt wurde gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi). Partner des IMT war der Implantat-Hersteller „Abutments4Life“. Die biologischen Untersuchungen wurden an der Klinik für Zahnerhaltungskunde und Parodontologie des Universitätsklinikums Freiburg durchgeführt. (sur)

Externer Link: www.kit.edu