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Neues Analyseverfahren könnte Brustkrebstherapie revolutionieren

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Pressemeldung der Universität Wien vom 21.10.2014

Bindegewebszellen – sogenannte Stromazellen – können das Tumorwachstum entscheidend beeinflussen. Dies ist seit Längerem bekannt. Neu ist ein Auswerteverfahren, das der Bioanalytiker Christopher Gerner und ein interdisziplinäres Team von der Universität Wien und der Medizinischen Universität Wien entwickelt haben. Mit Hilfe der modernen Massenspektrometer der Universität Wien gelang es erstmals, in menschlichen Brustkrebs-Gewebsproben tumorfördernde Zellaktivitäten analytisch nachzuweisen. Aktuell ist dazu eine Publikation im renommierten Fachmagazin „Journal of Proteome Research“ erschienen.

Bekannt ist, dass Bindegewebe oder auch Stroma zu Entstehung und Wachstum von Tumoren beitragen kann. Ungeklärt ist jedoch, ob krankhafte Veränderungen des „Stromas“ die Bildung von Tumoren begünstigen oder ob erst vorhandene Tumorzellen das Stroma zu ihrem Überlebensvorteil funktionell verändern. „Uns gelang es erstmals, für diesen Prozess entscheidende Moleküle als solche zu erkennen und aus klinischen Proben direkt nachzuweisen“, sagt Christopher Gerner, Vorstand des Instituts für Analytische Chemie der Universität Wien, der zusammen mit Georg Pfeiler von der Universitätsklinik für Frauenheilkunde der Medizinischen Universität Wien und einem interdisziplinären Team erfolgreich ein neues Analyseverfahren entwickelt hat.

Unerwünschte Promotion von Krebswachstum durch Bindegewebszellen nachgewiesen

Gewebe sind aus unterschiedlichen Zelltypen aufgebaut, welche jeweils spezifische Aufgaben erfüllen. Brustgewebe ist im Wesentlichen aus Epithelzellen und Fibroblasten aufgebaut. Im Falle von Brustkrebs können Epithelzellen zu Krebszellen entarteten, und Fibroblasten (Bindegewebszellen) können – wie oben angesprochen – in kritischer Weise funktionell verändert sein. Eine typische Aktivität von krebsassoziierten Fibroblasten (cancer-associated fibroblasts, CAFs) gleicht dem Bemühen dieser Zellen, eine Wunde heilen zu wollen. Die dabei abgesonderten Wachstums- und Überlebensfaktoren sind bereits in geringsten Konzentrationen hochaktiv und helfen nicht nur der Wundheilung, sondern werden eben im Falle von Krebs für unerwünschtes Krebswachstum missbraucht. Die Bedeutung dieses Prozesses ist erst seit wenigen Jahren voll akzeptiert, jetzt konnte in dieser Studie auch erstmals ein relevantes In vitro Modellsystem vorgestellt werden.

Durch Massenspektrometrie innovatives Auswerteverfahren von Brustgewebszellen

Die analytische Herausforderung war nun, aus Nadelbiopsien und den daraus gewonnenen Gewebshomogenaten, also einem Gemisch verschiedenster Zelltypen und unzähliger Blutbestandteile, möglichst viele krankheitsbeeinflussende Proteine zu identifizieren. Mittels moderner massenspektrometrischer Analysen konnten zunächst in den Gewebsproben von Brustkrebspatientinnen viele tausend Proteine erfolgreich erkannt werden. In der Folge gelang es erstmals, die Aktivitäten der Fibroblasten direkt nachzuweisen – mit dem Ergebnis, dass wie im In-vitro-Modell auch die menschlichen Zellen im Gewebe eine deutliche Wundheilungs-Signatur und somit krebsfördernde Aktivitäten aufzeigen. „Möglich wurden diese Experimente durch die Ausstattung meiner neuen Professur für Bioanalytik“, so Christopher Gerner über die Topgeräte des Massenspektrometriezentrums der Universität Wien.

Neue Ansätze in der Brustkrebstherapie

Diese Erkenntnis ist in mehrfacher Hinsicht von Bedeutung. Aufgrund einer Nadelbiopsie kann nun der Status quo der entnommenen Zellen erhoben werden. „Es kann damit prinzipiell bei jeder einzelnen Patientin festgestellt werden, wie stark bei ihr die Wundheilungsaktivität ausgeprägt ist. Das ist eine entscheidende Voraussetzung, um eine gezielte Einflussnahme planen zu können. Für die klinische Routine ist das aber noch Zukunftsmusik“, so Georg Pfeiler von der Medizinischen Universität Wien. „Wir arbeiten bereits daran, einen derartigen Status auch aus Serumproben erheben zu können“, ergänzt Christopher Gerner vom Institut für Analytische Chemie der Universität Wien.

Darüber hinaus kann nun das etablierte Zellmodell für Krebs-assoziierte Fibroblasten dazu verwendet werden, Medikamente zu testen, die diese unerwünschten Zell-Aktivitäten gezielt hemmen sollen. Eine derartige (Zusatz-)Therapie könnte eine unschätzbare Verbesserung der bisher eingesetzten klinischen Standard-Therapien darstellen.

Derzeit arbeiten mehrere DoktorandInnen an der Universität Wien und der Medizinischen Universität Wien an der Umsetzung dieses Forschungsvorhabens. Es handelt sich dabei um ein typisches Cross-Over-Projekt, an dem chemische AnalytikerInnen, MedizinerInnen und PharmakologInnen mitarbeiten.

Publikation:
„Journal of Proteome Research“ (Special Issue: Proteomics of Human Diseases: Pathogenesis, Diagnosis, Prognosis, and Treatment):
Proteome Profiling of Breast Cancer Biopsies Reveals a Wound Healing Signature of Cancer-Associated Fibroblasts. Michael Groessl, Astrid Slany, Andrea Bileck, Kerstin Gloessmann, Dominique Kreutz, Walter Jaeger, Georg Pfeiler, Christopher Gerner. September 2014. DOI: 10.1021/pr500727h

Externer Link: www.univie.ac.at

Student entwickelt leisen Vakuum-Greifer mit Muskel aus intelligentem Draht

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Presseinformation der Universität des Saarlandes vom 22.10.2014

Leise, leicht und energieeffizient: Das sind einige der Vorteile des neuartigen Vakuum-Sauggreif-Systems, das der Mechatronik-Student Julian Kunze in der Forschergruppe von Stefan Seelecke entwickelt hat. Ein Spezialgebiet von Seeleckes Teams sind haarfeine Formgedächtnis-Drähte, die wie Muskeln anspannen und entspannen. Auf diese Weise werden auf den Punkt genaue Bewegungsabläufe möglich, wodurch etwa technische Bauteile präzise bewegt werden können. Bei Julian Kunzes Sauggreifer zieht der Draht an einer Membran und löst so ein Vakuum aus, wenn diese flach auf einem Gegenstand liegt. Die Vakuumtechnik-Firma Schmalz GmbH zeichnete den Studenten hierfür mit ihrem Innovationspreis aus.

Sie stapeln Kartons, laden zig Dosen gleichzeitig auf Paletten, befördern große Bleche oder transportieren Glasscheiben: Vakuum-Greifer sind heute vielerorts im Einsatz. Die gängigen Systeme arbeiten pneumatisch. Sie sind meist komplex, oft schwer und machen bisweilen recht viel Lärm. Das neuartige System, das der Student Julian Kunze am Lehrstuhl von Professor Stefan Seelecke entwickelt hat, ist schlicht, leicht, leise, effizient und sogar reinraumtauglich. Das Geheimnis beruht auf einem Draht, der eine ganz besondere Eigenschaft hat: Wie ein Muskel zieht er sich deutlich zusammen, wenn Strom durch ihn fließt. Sobald der Strom ausgeschaltet wird, wird er wieder so lang wie vorher. Formgedächtnis nennen das die Wissenschaftler.

„Diese Drähte mit Formgedächtnis bestehen aus Nickel-Titan“, erklärt Stefan Seelecke. „Formgedächtnis bedeutet, dass das Material seine ursprüngliche Form wieder annimmt, nachdem es verformt wurde; es erinnert sich sozusagen an seine alte Form. Diese Eigenschaft der Nickel-Titan-Legierung beruht auf so genannten Phasenumwandlungen: Wird der Draht warm, zum Beispiel wenn Strom hindurchfließt, wandelt sich seine Gitterstruktur so um, dass er kürzer wird. Kühlt er ab, wird er wieder länger“, erläutert er. Sein Forscherteam am Lehrstuhl für Unkonventionelle Aktorik an der Saar-Uni und am Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik „Zema“ nutzt diese Eigenschaft für verschiedenste Anwendungen: vom Inhalationsgerät, dessen Mundstück Wirkstoffteilchen gezielt an ihren Wirkort in der Lunge „schießt“, über neuartige Kühlsysteme bis hin zu Bauteilen, die sich geräuschlos und präzise heben und senken.

„Beim Vakuum-Greifer ist eine Membran direkt mit einem Formgedächtnisdraht verbunden, der gezielt angesteuert werden kann. So ist es möglich, nur mit elektrischem Strom ein tragfähiges Vakuum zu erzeugen“, erklärt Julian Kunze, studentischer Mitarbeiter in Seeleckes Team. „Dadurch, dass das System ganz ohne Druckluft, Gebläse, Pumpen oder sonstige größere Bestandteile auskommt, ist es platzsparend, leicht und auch der CO2-Ausstoß wird verringert“, sagt der 23-Jährige. Den Prototypen hat er selbst am Computer entworfen und am 3D-Drucker des Lehrstuhls ausgedruckt – komplett samt Rahmen und Membran. „Dadurch konnte ich den gesamten Prozess von der Idee über die Entwicklung bis zum fertigen Prototyp durchlaufen“, sagt er. Der Student arbeitet nun in Seeleckes Team daran, das System weiterzuentwickeln und weiter zu optimieren. „Die Tragfähigkeit dieses Vakuum-Greifers ist skalierbar – der Prototyp kann bereits ein Gewicht von einigen Kilos heben und sicher festhalten, aber das kann natürlich noch gesteigert werden“, sagt Professor Seelecke.

Das Vakuum-Technologie-Unternehmen Schmalz hat Julian Kunze für seine Entwicklung Anfang Oktober mit dem erstmals verliehenen Schmalz Innovationspreis ausgezeichnet, der mit einer Siegprämie von 4.000 Euro und einem vierwöchigen Unternehmens-Praktikum bei Schmalz verbunden ist.

Externer Link: www.uni-saarland.de

Gewinnen durch Verlust

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Presseaussendung der TU Wien vom 20.10.2014

Ein scheinbar widersinniges Verhalten von Lasern, das an der TU Wien vorhergesagt worden war, konnte nun in einem neuen Experiment bestätigt werden, wie das Fachjournal „Science“ berichtet.

Was zunächst wie eine mathematische Kuriosität aussah ist nun zur neuen Laser-Technologie geworden. Vor zwei Jahren wurde von Physikern der TU Wien ein paradoxer Laser-Effekt vorhergesagt: In bestimmten Situationen kann man einen Laser einschalten, indem man ihm nicht mehr Energie zuführt, sondern ihm stattdessen Energie entnimmt. Erste experimentelle Anzeichen für diesen Effekt wurden vor kurzem an der TU gefunden; nun konnte der paradoxe Laser-Effekt in Zusammenarbeit mit Teams von der Washington University in St. Louis, USA und von RIKEN, Japan auf ein weiteres Laser-System übertragen und dort präzise vermessen werden. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal „Science“ veröffentlicht.

Einschalten durch Ausschalten

Matthias Liertzer und Prof. Stefan Rotter stießen zunächst in Computersimulationen auf den Effekt: „Wenn man zwei kleine, gleichartig gebaute Laser in engen Kontakt zueinander bringt, dann können sich diese auf eine Weise beeinflussen, die auf den ersten Blick jeder Erwartung widerspricht“, erklärt Stefan Rotter. „Normalerweise leuchtet ein Laser, wenn man ihm mehr Energie zuführt. Doch bei geeigneter Laser-Kopplung kann eine Energiezufuhr die beiden Laser abschalten und ein Energieverlust kann die Laser zum Leuchten bringen.“

In einem Laser werden Lichtteilchen vervielfältigt, es kommt zu einer Kettenreaktion die letztendlich kräftige Strahlung erzeugt. Normalerweise ist dabei jeder Lichtverlust höchst unerwünscht. Wenn zu viel Licht verlorengeht, etwa durch eine schlecht verspiegelte Außenwand des Lasers, dann kann die Lichtproduktions-Kettenreaktion nicht aufrecht erhalten werden und der Laser erlischt.

Paradoxes Verhalten am „Entartungspunkt“

„Die Eigenschaften der Laser kann man durch mathematische Gleichungssysteme sehr gut beschreiben und verstehen“, erklärt Matthias Liertzer. „Wenn man sich diese Gleichungen genau ansieht, mit denen auch die Kopplung zwischen zwei Lasern beschrieben wird, dann stellt man fest, dass hier sogenannte Entartungspunkte auftreten. Befindet sich der Zustand, der den Laser mathematisch charakterisiert, in der Umgebung eines solchen Entartungspunktes, dann zeigt sich paradoxes Verhalten.“

Im Experiment, das von Bo Peng und Dr. Sahin Kaya Ozdemir mit der Gruppe von Prof. Lan Yang in St. Louis, USA durchgeführt wurde, stellte man zwei winzige kreisförmige Laser her, die man in unmittelbarer Nähe zueinander platzierte. Zusätzlich wurde eine feine Spitze aus Chrom in das System eingebracht, die Licht stark absorbiert. Durch genaues Justieren der Spitze kann der Lichtverlust fein dosiert werden. „Die Experimente bestätigten unsere Vorhersagen: Wenn sich das System in der Nähe des Entartungspunktes befindet, führt die Absorption der Spitze dazu, dass sich der Laser einschaltet und zu leuchten beginnt“, sagt Stefan Rotter.

Die Besonderheiten solcher Entartungspunkte zu verstehen wird für ganz unterschiedliche technologische Anwendungen wichtig sein, glaubt Rotter: „Das kann für hochsensible Detektoren nützlich sein, oder für jedes andere System das aus gekoppelten Oszillatoren besteht, wie zum Beispiel in der Opto-Mechanik. Jedenfalls gibt es noch viele interessante Effekte, die man im Zusammenhang mit diesen Entartungspunkten studieren kann“, meint Stefan Rotter. (Florian Aigner)

Publikation:
Science 2014

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Vereinte Gegensätze

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Presseinformation der LMU München vom 10.10.2014

LMU-Chemiker haben erstmalig einen ferromagnetischen Supraleiter entdeckt, der chemisch modifizierbar ist und umfassende Studien dieses seltenen Phänomens ermöglicht.

Supraleitung und Ferromagnetismus – die „normale“ Form des Magnetismus, wie sie etwa in Hufeisenmagneten auftritt – schließen sich normalerweise aus: Ferromagneten sind magnetisch, weil in ihrem Inneren ein starkes Magnetfeld vorliegt. Supraleiter dagegen verdrängen Magnetfelder aus ihrem Inneren. LMU-Chemikern ist es nun gelungen, diese Gegensätze zu überwinden: „Wir haben eine neue Verbindung synthetisiert, die als ferromagnetischer Supraleiter beide Eigenschaften in sich vereint“, sagt Professor Dirk Johrendt vom Department Chemie, „dieser Erfolg ist ein wichtiger Fortschritt, der der Forschung ganz neue Möglichkeiten eröffnet“.

Dass Supraleitung und Ferromagnetismus in einem Material gemeinsam vorkommen, ist sehr selten und wurde bisher fast nur bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt – also bei etwa minus 273°C – beobachtet. „Die von uns synthetisierte schichtartige Verbindung (Li,Fe)OH(FeSe) hat den großen Vorteil, dass sie auch bei höheren Temperaturen funktioniert, die im Labor leichter handhabbar sind“, sagt Johrendt.

Die neue Verbindung besteht aus zwei unterschiedlichen Schichten, die abwechselnd aufeinander folgen: Einer supraleitenden Eisenselenid-Schicht (FeSe) und einer ferromagnetischen Lithium-Eisen-Hydroxid-Schicht (Li,Fe)OH. Wird die Verbindung auf Temperaturen unterhalb von minus 230°C abgekühlt, entsteht zunächst Supraleitung in der Eisenselenid-Schicht. Bei etwas tieferen Temperaturen erzeugen die Eisenatome in der Lithium-Eisen-Hydroxid-Schicht zusätzlich einen ferromagnetischen Effekt, ohne dass die Supraleitung verschwindet.

In Kooperation mit Physikern der Technischen Universität Dresden und des Paul-Scherrer-Instituts in Villingen (Schweiz) konnten die Wissenschaftler nachweisen, dass das von der ferromagnetischen Schicht ausgehende Magnetfeld den Supraleiter durchdringt – und zwar spontan und ohne äußeren Einfluss. Dieser neue Zustand der Materie wird als spontane Vortex-Phase bezeichnet. In bestimmten Supraleitern kann zwar durch ein von außen angelegtes Magnetfeld ein ferromagnetischer Effekt erzeugt werden, aber die wenigen bisher bekannten Stoffe mit dieser Eigenschaft waren chemisch kaum modifizierbar und konnten wegen der erforderlichen extrem niedrigen Temperaturen nur mit großem Aufwand untersucht werden. „Unser neues Material bietet erstmalig gute Möglichkeiten, die Koexistenz von Supraleitung und Ferromagnetismus chemisch zu beeinflussen, sodass in Zukunft umfassendere Studien dieses faszinierenden Phänomens möglich werden“, schließt Johrendt. (göd)

Publikation:
Angewandte Chemie 2014

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Mit Alltagssprache Computer programmieren

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 06.10.2014

Informatiker des KIT arbeiten an einer Software, die in natürlicher Sprache formulierte Befehle in Programmiersprache übersetzt – und dabei automatisch die zeitliche Abfolge anpasst

Computer sprechen eine eigene Sprache: Programmieren kann sie nur, wer den passenden Code beherrscht. An einer Software, die natürliche Sprache direkt in maschinenlesbare Quelltexte übersetzt, arbeiten derzeit Informatiker des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). Nutzer könnten damit in wenigen Sätzen eigene Computeranwendungen erstellen. Eine Herausforderung dabei: Menschen beschreiben Vorgänge nicht immer streng chronologisch. Ein neues Analysewerkzeug der KIT-Forscher ordnet die Anweisungen nun automatisch so hintereinander, wie sie der Computer ausführen soll.

„Wir wollen weg von komplizierten Regelwerken für Nutzer – nichts anderes sind Programmiersprachen – hin zu intelligenten Rechnern, die mit uns in Dialog treten“, sagt Mathias Landhäußer, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Programmstrukturen und Datenorganisation (IPD) des KIT. Bislang ließen sich Programme nur dann mit Sprache steuern, wenn sie vom Hersteller genau darauf ausgelegt seien: so beispielsweise das Versenden von Kurznachrichten (SMS) über ein Smartphone. Die Informatiker am KIT arbeiten dagegen an einer Software, die für beliebige Programme eine Sprachschnittstelle einrichtet. Damit könnten Nutzer ihre mobilen Apps nicht nur per Sprachbefehl öffnen, sondern auch bedienen. Bei einer Anwendung, die Heizung, Beleuchtung und Fenster in intelligenten Häusern steuert, haben die Forscher eine solche Schnittstelle bereits erfolgreich eingebunden.

„Bis wir komplexe Software mit Sprache nicht nur bedienen, sondern tatsächlich programmieren können, wird es noch dauern“, schätzt Landhäußer. Ein zentrales Kommunikationsproblem zwischen Mensch und Maschine – das Problem der Reihenfolge – haben die Wissenschaftler gerade gelöst, zunächst beispielhaft für die englische Sprache. „Betrachten wir beispielsweise den Satz ‚Bevor das Auto losfährt, geht das Garagentor auf.‘ Aus unserer Alltagsperspektive ist diese Beschreibung nicht ungewöhnlich“, erklärt Landhäußer. Solle der Vorgang allerdings in einer virtuellen Welt am Computer stattfinden, ergebe sich ein Problem: Der Rechner führt Befehle nacheinander in der Reihenfolge aus, in der sie eintreffen. In dem genannten Beispiel erhält er zunächst die Information „Auto fährt los“ und erst danach die Information „Garagentor geht auf“. Das Auto würde demzufolge gegen das Garagentor fahren. „Sieht das Programm eine solche Aktionskette nicht vor, geschieht bestenfalls nichts, schlimmstenfalls stürzt der Computer ab“, so der Informatiker.

Die neue Software der KIT-Wissenschaftler analysiert nun zeitbezogene Signalwörter, die darauf hinweisen, dass ein eingesprochener Text zeitliche Abläufe nicht streng linear abbildet. Solche Signalwörter geben an, ob etwas „davor“ oder „danach“, „zuerst“ oder „zuletzt“ geschieht – und zwar unabhängig davon, an welcher Stelle die Information steht. Die Informatiker ordnen diesen sprachlichen Begriffen nun logische Formeln zu, um im Quelltext eine chronologische Abfolge herzustellen: Angewandt auf das obige Beispiel, verschiebt die Formel für das Signalwort „bevor“ den Hauptsatz automatisch um eine Position nach vorne. Das Ergebnis lautet: Das Garagentor geht auf, bevor das Auto losfährt.

Vorgaben für Nutzer zum computergerechten Sprechen stellten keine zuverlässige Alternative dar, so die Forscher: Erste Tests zeigten, dass Probanden mit und ohne Programmierkenntnisse trotz entsprechender Aufforderung nicht streng der Reihe nach erzählten, sondern stattdessen unbewusst weiterhin Signalwörter verwendeten. „Unser Ziel ist es, dass sich der Rechner an die Sprechweise der Nutzer anpasst – nicht umgekehrt“, sagt Landhäußer.

Neben dem Reihenfolgenproblem identifizierten die Wissenschaftler noch weitere Herausforderungen beim Programmieren mit natürlicher Sprache. So ersetzten die Probanden etwa einzelne Wörter mit sinnverwandten Begriffen oder Fürwörtern: Dass sich der Begriff „Auto“ auf dasselbe Objekt bezieht, wie „Wagen“ oder „dieses“ im Folgesatz, können Computer allerdings nicht ohne Weiteres ableiten. „Menschen verstehen diese Zusammenhänge, weil das Geschehen vor ihrem inneren Auge als Film abläuft. Wir arbeiten daran, langfristig auch Computern solch ein übergeordnetes Verständnis zu vermitteln“, erklärt Landhäußer. (lcp)

Literatur:
Mathias Landhäußer, Tobias Hey und Walter F. Tichy: Deriving time lines from texts. RAISE 2014 Proceedings of the 3rd International Workshop on Realizing Artificial Intelligence Synergies in Software Engineering, Pages 45-51, ACM New York 2014. Doi: 10.1145/2593801.2593809

Externer Link: www.kit.edu