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

Der perfekte Terahertz-Strahl – mit dem 3D-Drucker

Presseaussendung der TU Wien vom 10.07.2018

An der TU Wien ist es gelungen, Terahertz-Strahlen nach Belieben zu formen. Dazu braucht man nur eine simple Kunststoff-Blende aus dem 3D-Drucker.

Terahertz-Strahlung ist sehr vielseitig einsetzbar, sie wird heute für Sicherheitskontrollen am Flughafen genauso verwendet wie für Materialanalysen im Labor. Die Wellenlänge dieser Strahlung liegt im Millimeterbereich, sie ist also deutlich größer als die Wellenlänge von sichtbarem Licht. Daher braucht man auch spezielle Methoden, um die Strahlen zu manipulieren und in die richtige Form zu bringen. Ein spektakulärer Erfolg beim Formen von Terahertz-Strahlen gelang nun an der TU Wien: Mit Hilfe einer genau berechneten und am 3D-Drucker hergestellten Plastik-Blende kann man Terahertz-Strahlen praktisch beliebig formen.

Wie Linsen – nur besser

„Gewöhnliches Plastik ist für Terahertz-Strahlen durchsichtig, ähnlich wie Glas für sichtbares Licht“, erklärt Prof. Andrei Pimenov vom Institut für Festkörperphysik der TU Wien. „Allerdings werden die Terahertz-Wellen, wenn sie sich durch Kunststoff bewegen, ein bisschen abgebremst. Das bedeutet, dass die Wellenberge und Wellentäler des Strahls ein wenig verschoben werden – man nennt das eine Phasenverschiebung.“

Diese Phasenverschiebung kann man nutzen, um einen Strahl zu formen. Genau das passiert – in sehr einfacher Form – bei einer optischen Linse aus Glas: Wenn die Linse in der Mitte dicker ist als am Rand, verbringt ein Lichtstrahl in der Mitte mehr Zeit im Glas als ein anderer Strahl, der parallel dazu den Randbereich der Linse trifft. Die Lichtwelle in der Mitte wird daher stärker phasenverschoben als die Lichtwelle am Rand. Genau das führt dazu, dass sich die Form des Strahls ändert – ein breiter Lichtstrahl lässt sich auf einen einzelnen Punkt fokussieren.

Doch damit sind die Möglichkeiten noch lange nicht ausgeschöpft. „Wir wollten nicht bloß einen breiten Strahl auf einen Punkt abbilden. Unser Ziel war, einen beliebigen Strahl in eine beliebige Form bringen zu können“, sagt Jan Gospodaric, Dissertant im Team von Andrei Pimenov.

Die Blende aus dem 3D-Drucker

Das gelingt, indem man eine genau angepasste Kunststoffblende in den Strahl einbringt. Die Blende hat einen Durchmesser von wenigen Zentimetern, ihre Dicke variiert von 0 bis 4 mm. Die Dicke der Blende muss Punkt für Punkt so angepasst werden, dass unterschiedliche Bereiche des Strahls genau richtig abgelenkt werden und am Ende das gewünschte Bild ergeben. Eine spezielle Berechnungsmethode wurde entwickelt um das richtige Blendenmuster zu berechnen. Daraus wird dann in einem gewöhnlichen 3D-Drucker die passende Blende hergestellt.

„Das Verfahren ist erstaunlich einfach“, sagt Andrei Pimenov. „Man braucht nicht einmal einen 3D-Drucker mit besonders hoher Auflösung. Es genügt, wenn die Präzision der Struktur deutlich besser ist als die Wellenlänge der verwendeten Strahlung – das ist bei Terahertzstrahlung mit 2 mm Wellenlänge kein Problem.“

Um die Möglichkeiten der Methode zu demonstrieren erstellte das Team unterschiedliche Blenden – unter anderem eine, die einen breiten Strahl in die Form des Logos der TU Wien bringt. „Das zeigt, dass der Technik kaum geometrische Grenzen gesetzt sind“, sagt Andrei Pimenov. „Unsere Methode ist relativ leicht anwendbar. Wir glauben daher, dass sich die Technik rasch in vielen Bereichen einsetzen lässt und die derzeit aufstrebende Terahertz-Technik ein Stück präziser und vielseitiger macht.“ (Florian Aigner)

Originalpublikation:
3D-printed phase waveplates for THz beam shaping, J. Gospodaric, A. Kuzmenko, Anna Pimenov, C. Huber, D. Suess, S. Rotter, and A. Pimenov; Appl. Phys. Lett. 112, 221104 (2018); doi: 10.1063/1.5027179

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Der richtige Dreh

Presseinformation der LMU München vom 28.06.2018

Den Hula-Twist gibt es wirklich: LMU-Chemiker weisen erstmals diese spezielle Rotationsbewegung lichtempfindlicher Moleküle direkt nach. Ihre Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis des Sehprozesses und die Entwicklung neuer molekularer Maschinen.

Lichtempfindliche Moleküle, die bei Beleuchtung ihre Form ändern, bilden die Grundlage für den Sehprozess im Auge. Als Mechanismus für die Formänderung wurde eine komplexe Drehbewegung vorgeschlagen: die Hula-Twist Bindungsrotation, so benannt nach dem Hüftschwung beim hawaiianischen Hula-Tanz. Doch ob diese tatsächlich stattfindet, wird seit 30 Jahren in der Wissenschaft diskutiert. Die Antwort darauf ist auch für zahlreiche Anwendungen wichtig, denn diese Art lichtinduzierter molekularer Bewegung kann bei synthetischen Materialien, Nanosystemen oder molekularen Maschinen eine Rolle spielen. LMU-Chemikern um Dr. Henry Dube ist nun ein entscheidender Durchbruch gelungen: Die Wissenschaftler haben ein synthetisches Molekül entwickelt, mit dem sie den Hula-Twist erstmals direkt nachgewiesen haben, wie sie im Fachjournal Nature Communications berichten.

„Bisherige Studien brachten unklare und widersprüchliche Ergebnisse, weil in den untersuchten Systemen nach der Lichtanregung immer eine Vielzahl von Prozessen abliefen und damit die eigentliche Photoreaktion nicht klar zu beobachten war“, sagt Dube. Deshalb hat der Chemiker ein spezielles Molekül entwickelt, das nur wenige Prozesse ausführen kann. Da es zudem nach der Photoreaktion keine weiteren Reaktionen eingeht, konnten die Wissenschaftler präzise analysieren, was in der Photoreaktion passiert. Kernpunkt des Moleküls ist eine Kohlenstoffdoppelbindung mit einer benachbarten Einfachbindung. Unter Lichteinfluss kann es auf drei verschiedene Weisen um diese Bindungen drehen und dadurch seine Geometrie verändern: Es kann nur um die Doppelbindung drehen, nur um die Einfachbindung, oder es führt eine kombinierte Drehung um Einfach- und Doppelbindung durch – den Hula-Twist, dessen Existenz die Wissenschaftler nun mithilfe hochauflösender Spektroskopiemethoden erstmals direkt zeigen konnten.

Dabei ist die Photoreaktion stark temperaturabhängig: „Durch Heizen oder Kühlen kann man sehr gut beeinflussen, welche Drehung bevorzugt wird“, sagt Dube. „Das ist für mögliche Anwendungen sehr interessant, weil man so eine gerichtete Bewegung erzeugen kann.“

Für die Zukunft wollen die Wissenschaftler ihr molekulares Setup nutzen, um neue lichtgetriebene molekulare Maschinen zu entwickeln. Im Vergleich zu lichtsteuerbaren Werkzeugen wie „lichtempfindlichen molekularen Pinzetten“, die Dube kürzlich in Nature Communications vorstellte, können molekulare Motoren direktionale Bewegungen ausführen und haben damit mehr Anwendungsmöglichkeiten. Denkbar sind nach Ansicht der Wissenschaftler unter anderem der Molekültransport oder die Bearbeitung bestimmter Materialien auf atomarer und molekularer Ebene.

Publikation:
Nature Communications 2018

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Ohne Fettzelle, mehr Fettzellen

Medienmitteilung der ETH Zürich vom 20.06.2018

Forschende der ETH Zürich und der EPFL haben einen neuen Fettzelltyp entdeckt, der das Wachstum neuer Fettzellen unterdrückt. Das eröffnet neue Ansatzpunkte, um Folgeerkrankungen von Fettleibigkeit zu verhindern.

Fettleibigkeit ist die Geissel des modernen Menschen. Wer übergewichtig ist, hat ein sehr viel höheres Risiko an Diabetes oder Krebs zu erkranken oder einen Herzinfarkt zu erleiden. Was die Wissenschaft schon lange weiss: Übergewicht ist nicht per se schädlich. So sind viele kleine Fettzellen für einen gesunden Stoffwechsel günstiger als wenige grosse. Weltweit wird daher nach Wegen gesucht, die Bildung neuer Fettzellen anzuregen – bislang aber mit wenig Erfolg.

Forschenden der ETH Zürich ist nun zusammen mit Kollegen der EPFL ein Durchbruch gelungen: Sie haben einen neuen Zelltyp im Fettgewebe von Säugern entdeckt, der die Bildung neuer Fettzellen unterbindet und so vorteilhaftes Fettgewebe verhindert. Über ihren Fund berichten die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe von Nature.

Fettzellen regulieren Fettzellwachstum

Wie Fettzellen entstehen, konnte die Forschung bisher noch nicht restlos klären. Man weiss, dass Fettzellen aus Vorläuferzellen entstehen und sich im ausdifferenzierten Zustand wahrscheinlich nicht mehr teilen. «Nach solchen Vorläuferzellen suchten wir im Fettgewebe von Mäusen, als wir auf einen bislang unbekannten Fettzelltyp mit interessanten Eigenschaften stiessen», berichtet Christian Wolfrum, ETH-Professor für translationale Ernährungsbiologie.

Experimente im Mausmodell und mit menschlichem Fettgewebe zeigten, dass es sich um eine Art «regulatorische Fettzelle» handelt, die scheinbar permanent Botenstoffe ins umliegende Gewebe abgibt. «Wir fanden vorerst vier Proteine, die zusammen verhindern, dass sich Vorläuferzellen zu neuen Fettzellen ausbilden», sagt Hua Dong, Doktorandin in Wolfrums Gruppe und eine der Erstautorinnen der Studie.

Fett ist nicht gleich Fett

Der neue Zelltyp, Areg genannt, ist therapeutisch interessant. Legt unser Körper an Gewicht zu, kann das energiespeichernde weisse Fettgewebe auf zwei Arten wachsen: Bei den meisten Fettleibigen vergrössern sich die bestehenden Fettzellen. Irgendwann können sie das viele Fett nicht mehr speichern und geben es in den Blutkreislauf ab. Leber und Muskeln verfetten – das Risiko für Diabetes und andere Folgeerkrankungen steigt. Bei rund 20 Prozent der Übergewichtigen bildet das Fettgewebe jedoch neue Zellen aus. Dank den zusätzlichen «Gefässen» können diese Menschen das überschüssige Fett besser speichern und erkranken deshalb weniger.

Bislang haben sich Fettleibigkeitsforschung und Pharmafirmen vor allem darauf fokussiert, wie man die Vorläuferzellen aktivieren kann, um Fettzellen zu vermehren. «Doch niemand verstand so recht, warum sich selbst in Fettgewebe mit vielen Vorläuferzellen nur selten neue Zellen bilden», so Wolfrum. Die unterdrückenden Aregs liefern nun eine Erklärung dafür.

Die Entdeckung eröffnet vielversprechende Ansatzpunkte für künftige Therapien. So konnten die Forschenden zeigen, dass tatsächlich neue Fettzellen entstehen, wenn man die Aregs aus dem Fettgewebe entfernt. Zudem fanden sie Hinweise darauf, dass diese Fettregulatoren gerade bei übergewichtigen Mäusen mit grossen Fettzellen gehäuft vorkommen.

Mit den jüngsten Resultaten rückt das Fernziel, dicke Menschen mit einer Therapie vor Diabetes und Co. zu schützen, ein kleines Stück näher. Dabei geht es stets um die physiologische Gesundheit – und nicht ums Gewicht. Wer abnehmen wolle, dem helfe nach wie vor nur eins: Weniger Kalorien aufzunehmen als zu verbrauchen.

Literaturhinweis:
Schwalie PC, Dong H, Zachara M, Russeil J, Alpern D, Akchiche N, Caprara C, Sun W, Schlaudraff K-W, Soldati G, Wolfrum C, Deplancke B: A stromal cell population that inhibits adipogenesis in mammalian fat depots. Nature, 20. Juni 2018, doi: 10.1038/s41586-018-0226-8

Externer Link: www.ethz.ch

Live-Verfolgung in der Zelle: Biologische Fussfessel für Proteine

Medienmitteilung der Universität Basel vom 18.06.2018

Eine Forschungsgruppe am Biozentrum der Universität Basel hat eine Methode entwickelt, mit der sich die Wege von Proteinen in die Zelle hinein verfolgen lassen. Dabei werden Proteine mit kleinsten Nanosensoren, sogenannten Nanobodies, markiert. Mit dieser Fussfessel lässt sich ihr Weg durch die Zelle live verfolgen. Die Methode, die sich für vielseitigste Forschungszwecke eignet, ist jetzt im Fachjournal «PNAS» beschrieben.

Membranproteine sind die Grundbausteine jeder einzelnen Zelle des menschlichen Körpers und für die wichtigsten Funktionen wie Aufbau, Stoffwechsel und Transport verantwortlich. Sie sorgen dafür, dass eine Vielzahl von Stoffen wie Hormone oder andere Proteine von der Zelloberfläche ins Innere der Zelle transportiert oder aus der Zelle wieder hinausbefördert werden.

Die Verteilung von Proteinen in der Zelle lässt sich relativ einfach bestimmen. Die Wege nachzuverfolgen, welche Proteine innerhalb der Zelle nehmen, und festzustellen, wo sie ihren Bestimmungsort haben, ist erheblich schwieriger. Das neu entwickelte Nanobody-Tool der Forschungsgruppe Spiess vom Biozentrum der Universität Basel ermöglicht es nun, Proteine auf ihrem Weg in die Zelle und wieder zurück zur Oberfläche zu beobachten. Zudem lässt sich die quantitative Methode zukünftig zur Aufklärung der molekularen Transportmechanismen im Inneren der Zelle einsetzen.

Mini-Antikörper als Nanosensor

Für die Methode verwendeten die Forscher sogenannte Nanobodies, kleinste Antikörperfragmente. Diese bestehen lediglich aus einer einzigen Proteinkette und haben somit den Vorteil, dass sie im Gegensatz zu Antikörpern, die aus insgesamt vier Proteinen bestehen, nur ein Zehntel so gross, sehr kompakt und stabil sind. «Ursprünglich wurden Nanobodies aus Kamelen und Lamas gewonnen. Wir haben die Nanobodies so verändert, dass wir sie mit Hilfe von Bakterien herstellen und als Nanosensoren einsetzen können», so Professor Martin Spiess.

Nanofussfessel ermöglicht live-Verfolgung

Die Nanobodies werden genetisch so verändert, dass sie fluoreszieren. «Anschliessend heften wir sie wie eine Fussfessel an die gewünschten Proteine. Dort bleiben sie haften, welchen Weg auch immer das Protein in der Zelle nimmt», erklärt Dominik Buser, Erstautor der Studie. Die Aufnahme und Verteilung der Oberflächenproteine lassen sich dann in der lebenden Zelle mikroskopisch beobachten.

«Der Nanosensor mit seiner fluoreszierenden Farbe zeigt uns die Bewegungen genau an. Dadurch können wir die natürlichen Transportwege der Proteine in der Zelle live nachverfolgen ebenso wie die Geschwindigkeit, mit der Proteine innerhalb der Zelle befördert werden.» Zudem konnten die Forschenden die Nanobodies so verändern, dass sich die Proteine elektronenmikroskopisch mit höchster Auflösung in der Zelle lokalisieren lassen.

Zukünftig möchte das Forschungsteam mit der neuen Methode die Transportwege verschiedener Proteine genauer untersuchen.

Originalbeitrag:
Dominik Buser, Kai Schleicher, Cristina Prescianotto-Baschong, Martin Spiess
Versatile nanobody-based toolkit to analyze retrograde transport from the cell surface
PNAS (2018), doi: 10.1073/pnas.1801865115

Externer Link: www.unibas.ch