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Basler Forscher entdecken wichtigen Schaltkreis bei Krebsmetastasen

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 11.06.2013

Bei der Verteilung von Krebszellen im Körper und der Metastasenbildung spielt ein bestimmter Gen-Hauptschalter eine zentrale Rolle: Ein Transkriptionsfaktor namens Sox4 aktiviert eine Reihe von Genen und löst dabei die gefürchteten Vorgänge aus. Dies berichten Forscher der Universität Basel und des Friedrich-Miescher-Instituts Basel in der renommierten Fachzeitschrift «Cancer Cell». Die Hemmung von Sox4 und darauf folgender Prozesse könnte somit die Bildung von Metastasen bei Krebspatienten verhindern.

Die vorwiegende Todesursache bei Krebspatienten ist die Bildung von Metastasen, also Tochtergeschwulsten in entfernten Organen wie Leber, Lunge oder Gehirn. Dabei lösen sich Krebszellen vom ursprünglichen Primärtumor und gelangen als einzelne Zellen oder Zellgruppe in andere Organe. Normalerweise bleiben Zellen im Körper an ihrem Platz, da sie sich mithilfe von Haftmolekülen aneinander und an der extrazellulären Substanz festhalten. Krebszellen lernen jedoch, wie sie sich aus diesen Bindungen lösen und in das umliegende Gewebe sowie in Blut- oder Lymphgefässe einwandern können.

Dieser Übergang von sesshaften, hoch ausgebildeten Zellen in wandernde, invasive und wenig strukturierte Zellen wird auch Epitheliale-Mesenchymale Transition (EMT) genannt. Dieser Vorgang spielt in der Verteilung von Krebszellen im Körper und im Entstehen von Metastasen eine wichtige Rolle. EMT ist ein vielstufiger Prozess, der mit einer fundamentalen Änderung der Zellmorphologie und zahlreichen genetischen Programmen einhergeht. Die molekularen Regelkreise, die diesen Vorgang steuern, werden derzeit noch wenig verstanden.

Hauptschalter gefunden

Nun haben die Forschungsgruppen von Prof. Gerhard Christofori am Departement Biomedizin, Prof. Erik van Nimwegen vom Biozentrum der Universität Basel sowie Prof. Dirk Schübeler vom Friedrich-Miescher-Institut Basel einen Hauptschalter für die Regulation von EMT und der Metastasenbildung entdeckt: Der Transkriptionsfaktor Sox4 wird dabei in seiner Expression und Aktivität hochreguliert und löst darauf die Expression einer Reihe von Genen aus, die während einer EMT und der Metastasenbildung eine wichtige Rolle spielen.

Im Speziellen fördert Sox4 die Expression des Enzyms Ezh2, einer Methyltransferase, die durch Methylierung von bestimmten Proteinen (Histonen) die Verpackung des Erbmaterials und damit dessen Lesbarkeit sowie die Genexpression generell beeinflusst; man spricht dabei von einer epigenetischen Regulation. Durch diese Veränderung der Nutzung der Erbinformation werden Zellen in ihrem Verhalten und ihrer Funktion umprogrammiert – ein Prozess, der gerade während der Metastasenbildung zu beobachten ist. Eine solche Änderung der Genexpression wird auch bei Patienten mit bösartigem Krebs und Metastasenbildung gefunden und korreliert auch mit einer schlechten Prognose.

Die Ergebnisse zeigen die Möglichkeit auf, dass eine Hemmung des Transkriptionsfaktors Sox4 und besonders der Methyltransferase Ezh2 die Bildung von Metastasen bei Krebspatienten verhindern könnte. Entsprechende Medikamente werden derzeit schon entwickelt, müssen aber noch in vorklinischen Studien getestet werden, bevor sie bei Patienten eingesetzt werden können. Die Arbeiten der Basler Forscher wurden innerhalb des SystemsX.ch-RTD-Projekts «Cellplasticity» realisiert.

Originalbeitrag:
Neha Tiwari, Vijay K. Tiwari, Lorenz Waldmeier, Piotr J. Balwierz, Phil Arnold, Mikhail Pachkov, Nathalie Meyer-Schaller, Dirk Schübeler, Erik van Nimwegen, and Gerhard Christofori (2013)
Sox4 Is a Master Regulator of Epithelial-Mesenchymal Transition by Controlling Ezh2 Expression and Epigenetic Reprogramming
Cancer Cell, Volume 23, Issue 6, 768-783, 10 June 2013 | doi: 10.1016/j.ccr.2013.04.020

Externer Link: www.unibas.ch

Gegen Alterseinsamkeit: Virtueller Freundschafts-Coach für Senioren

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Pressemitteilung der TU Graz vom 29.05.2013

Mit dem Alter kommt oft die Einsamkeit: Neue Kontakte knüpfen und Freundschaften aufrecht erhalten ist für viele Senioren nicht so einfach. Zugleich verlieren aber viele von ihnen zunehmend die Scheu vor Computern. Wissenschafter der TU Graz haben gemeinsam mit internationalen Partnern Konzepte für Computeranwendungen gegen Alterseinsamkeit entwickelt: Das Programm „Virtual Coach Reaches Out To Me“, kurz V2me, soll der Generation 65+ helfen, neue Freunde zu finden, gesellschaftlich aktiv zu werden und mobil und geistig fit zu bleiben. Das Konzept des interaktiven Freundschafts-Coach fand in ersten Tests in Pflegeheimen großen Zuspruch. Mit Mai startete die finale Evaluierungsphase des Prototyps mit einer breiten Benutzerstudie.

Unsere Gesellschaft wird immer älter – und im Alter oft auch immer einsamer. Durch Berufsaustritt und Todesfälle schrumpft das soziale Umfeld. „Die Alterseinsamkeit zu vermindern ist das Ziel von V2me. Ältere Menschen sollen neue Weggefährten und damit mehr Lebensfreude gewinnen. Ein Computerprogramm kann Menschen freilich nicht ersetzen, aber helfen, mit ihnen in Kontakt zu treten“, erklärt Sven Havemann vom Institut für Computergraphik und Wissensvisualisierung der TU Graz, dessen Team gemeinsam mit neun internationalen Partnern V2me entwickelt hat. Die Software benutzt einen virtuellen Coach in Form einer animierten 3D-Figur als direkte Ansprechperson für den Benutzer. „Der Coach motiviert den Benutzer, gesellschaftlich aktiv zu werden, sich mit anderen Personen in Verbindung zu bringen und unter Leute zu gehen. Das Ziel ist, nachhaltige Freundschaften zu schließen“, so Havemann.

„Freundschaftskurs“ für Senioren

Der V2me-Coach unterhält sich mit dem Benutzer in einem virtuellen Wohnzimmer. Er fragt nach dem Befinden und trainiert seinen Schützling in zwölf von Psychologen entwickelten „Freundschaftslektionen“ unter anderem, offen auf fremde Menschen zuzugehen, die Erwartungen an Freundschaft zu reflektieren, oder mit unbekannten Personen ein Gespräch anzufangen. Der Benutzer kann zudem je nach Interesse unterschiedlichen Gruppen beitreten. „Die Termine der Gruppentreffen, beispielsweise Wanderausflüge, landen genauso wie individuelle Veranstaltungsvorschläge direkt im digitalen Terminkalender. Der virtuelle Coach erinnert dann an diese Treffen“, schildert Havemann.

Alltagsleben als IT-Vorbild

Ein zentraler Aspekt des virtuellen Coach ist die Benutzerfreundlichkeit: „V2me ist seniorenfreundlich gestaltet. Symbole aus dem Alltagsleben helfen bei der Orientierung am Display, mit 3D-Computergrafik wird das Programm zum Leben erweckt“, so Havemann. Alle Anwendungen passieren in einem virtuellen Wohnzimmer, in dem die Kontakte, der individuelle Terminkalender und Wegbeschreibungen einfach verwaltet werden. Zusätzlich gibt es eine mobile Lösung für Tablet-PC mit einem benutzerfreundlichen Touch-Interface sowie eine Webplattform, über die sich Angehörige der Benutzer mit den Betreuern der Pflegeeinrichtung austauschen und selbst Termine eintragen können. Zur Anwendung kommen soll das Programm vorerst in Pflegeeinrichtungen, die mittlerweile schon fast überall über die entsprechende Hardware verfügen. In weiterer Folge soll V2me Senioren auch in den eigenen vier Wänden in Sachen Kontaktpflege coachen.

„Ich will es nicht mehr hergeben“

Seit Anfang Mai ist der Prototyp von V2me fertig und die erarbeiteten Konzepte werden nun von Psychologen in Amsterdam und Luxemburg in breiten Benutzerstudien getestet. Vorabversionen wurden bereits in verschiedenen Seniorenwohnheimen in Deutschland, Finnland und den Niederlanden auf den Prüfstand gestellt. „Die Reaktionen waren sehr positiv und haben uns gezeigt, dass dieser Coach gegen Alterseinsamkeit eine Lücke füllt. Ein Teilnehmer wollte es gar nicht mehr hergeben“, schildert Havemann. Die Evaluierung wird zeigen, ob der Computer bei einem so sensiblen Thema wie nachhaltige Freundschaft Unterstützung bieten kann und akzeptiert wird.

Die Wissenschafter der TU Graz arbeiten gemeinsam mit neun Partnern aus sechs verschiedenen Ländern an dem Projekt, darunter Universitäten, Forschungsinstitutionen, IT-Unternehmen im Pflege- und Gesundheitsbereich und eine Diakonie. Der Part der TU Graz liegt bei der Visualisierung und der Animation. „V2me“ wird von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) unterstützt und ist Teil des EU-Projekts „AAL Joint Program“, das sich mit IT-Anwendungen zur Unterstützung älterer Menschen und Pflegebedürftiger beschäftigt.

Externer Link: www.tugraz.at

Universität entwickelt neuartige Analyse der Customer Journey

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Pressemeldung der Universität Passau vom 29.05.2013

Neue Technologien ermöglichen es Unternehmen, die Reise ihrer Kunden vom ersten Berührungspunkt mit einem Online-Werbemittel bis hin zum Kauf des beworbenen Produkts zu erfassen und die Effektivität von Online-Marketing-Maßnahmen im Detail zu messen. Der Lehrstuhl für Marketing und Innovation der Universität Passau hat in Zusammenarbeit mit anderen Forschern und der intelliAd Media GmbH ein wissenschaftlich fundiertes Modell zur Analyse solcher Customer Journeys entwickelt.

Falls ein Kunde vor dem Kauf mit mehreren Online-Werbemitteln eines Unternehmens in Kontakt war, stellt sich die Frage, durch welchen dieser Kontakte er zum Kauf angeregt wurde. In der Praxis werden hier oft einfache Heuristiken eingesetzt, die z.B. nur den letzten Klick vor dem Kauf berücksichtigen. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Forschungsprojekts Fre(E)S wurde an der Universität Passau ein komplexes statistisches Modell zur wissenschaftlich fundierten Analyse solcher Customer Journeys entwickelt und getestet. Das innovative Attributionsmodell berechnet für jeden eingesetzten Werbekanal im Online-Marketing den tatsächlichen Wertschöpfungsbeitrag und dient Werbungtreibenden und Agenturen somit als Entscheidungsgrundlage für ihre Budgetallokation.

Eva Anderl und Prof. Dr. Jan. H. Schumann vom Lehrstuhl für Marketing und Innovation sowie Ingo Becker (TU München) und Prof. Dr. Florian von Wangenheim (ETH Zürich) haben das Modell in enger Zusammenarbeit mit der intelliAd Media GmbH, Experte für Multichannel-Tracking und Bid-Management entwickelt und als intelliAd Value-Indicator implementiert. Inzwischen wurde das Forschungsprojekt von der Wharton Customer Analytics Initiative ausgezeichnet und für mehrere internationale Konferenzen ausgewählt. „Die Zusammenarbeit zwischen intelliAd und Universität ist ein Paradebeispiel dafür, wie die Wissenschaft dazu beitragen kann, Problemstellungen der Praxis zu lösen“, sagt Professor Dr. Jan H. Schumann, Inhaber des Lehrstuhls für Marketing und Innovation. „Auf Basis unserer gemeinsamen Forschungsarbeit wurden die Algorithmen entwickelt, die bei intelliAd praktisch implementiert wurden. So können wir die Brücke zwischen Theorie und Praxis bei der Verteilung von Werbebudgets schlagen und geben Unternehmen ein neuartiges Instrument an die Hand, um die Effizienz ihrer Marketingmaßnahmen verlässlich zu messen.“ (Katrina Jordan)

Externer Link: www.uni-passau.de

Ein Quantensimulator für magnetische Materialien

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Medienmitteilung der ETH Zürich vom 23.05.2013

Physiker der ETH Zürich haben einen Quantensimulator entwickelt, in dem Atome das Verhalten von Elektronen in magnetischen Materialien nachahmen. Damit können schwierig zu verstehende Eigenschaften neuartiger Materialien systematisch untersucht werden, was letztlich auch zur Entwicklung neuer magnetischer Materialien führen könnte.

Weshalb ein Kühlschrankmagnet an bestimmten metallischen Oberflächen haften bleibt, das verstehen Physiker in jedem Detail. Magnetische Materialien existieren jedoch auch in exotischen Varianten, deren Eigenschaften trotz jahrzehntelanger Forschung noch weitgehend unverstanden sind. Tilman Esslinger und seine Gruppe am Institut für Quantenoptik und -elektronik haben nun einen wesentlichen Schritt unternommen, diese Lücken zu schliessen. Das Team kombiniert Laserstrahlen und Atome so miteinander, dass Strukturen entstehen, die sich exakt wie magnetische Materialien verhalten. Diese Methode verspricht grundlegende Erkenntnisse zu magnetischen Materialien zu liefern, die über das hinausgehen, was heutzutage mit theoretischen und computergestützten Methoden möglich ist. Die Arbeit könnte Forschern auch helfen, neue Materialien zu finden, die interessante Eigenschaften hinsichtlich zukünftiger Technologien und Anwendungen besitzen.

Das Konzert der winzigen Magneten

Magnetische Materialien verdanken ihre Eigenschaften einem komplexen Wechselspiel einer Vielzahl von winzigen Magneten, die in der Regel in der Form von einzelnen Elektronen vorliegen. Beobachtbarer Magnetismus tritt dann auf, wenn diese magnetischen Bausteine in bestimmten Mustern angeordnet sind, in denen sie durch quantenmechanische Wechselwirkungen festgehalten werden. Ein typischer Kühlschrankmagnet, zum Beispiel, besteht aus mehreren ferromagnetischen Teilstücken und in jedem Segment sind sämtliche Elementarmagnete parallel zueinander ausgerichtet, woraus das magnetische Verhalten resultiert.

In anderen magnetischen Materialien ist die Situation weniger anschaulich, da die magnetischen Bausteine in komplizierteren Mustern angeordnet sind. Ein Beispiele hierfür sind die sogenannten Quanten-Spin-Flüssigkeiten, in welchen die Elementarmagnete in einer Weise wechselwirken, die sie daran hindert, jemals in einem geordneten Zustand vorzuliegen. Physiker und Materialwissenschaftler sind an solchen unkonventionellen Magneten interessiert, weil sie grundlegende Probleme der Vielteilchen-Quantenphysik verkörpern, aber auch, weil diese Materialien Eigenschaften besitzen, die eine Grundlage bilden könnten für zukünftige magnetische Speichermedien oder für neuartige Formen der Informationsverarbeitung.

Quantensysteme mit Quantensystemen simulieren

Anders als im Fall von Kühlschrankmagneten lässt sich das Verhalten von Quanten-Spin-Flüssigkeiten und anderen exotischen magnetischen Zuständen, heutzutage nur sehr begrenzt voraussagen. Es ist ein hartnäckiges Problem, da die Wechselwirkung zwischen hunderten von Elementarmagneten berücksichtigt werden muss. Die Komplexität dieses Problems erklärt denn auch, warum viele magnetische Materialien – aber auch viele idealisierte Modellsysteme – heute nur unvollständig verstanden sind. Das fehlende Verständnis behindert Fortschritte in der Nutzung und Weiterentwicklung dieser Materialien.

Da herkömmliche Methoden für diese komplizierten Systeme häufig unzureichend sind, verfolgen Esslinger und seine Mitarbeiter einen gänzlich anderen Ansatz. Sie schaffen künstliche Materialien, die das Material, welches sie ursprünglich studieren wollen, replizieren. Mit anderen Worten, um das eigentliche Material zu untersuchen, führen die Wissenschaftler ihre Messungen an einem künstlich erschaffenen Gegenstück durch, das leichter zu handhaben ist und in dem wichtige Parameter (wie etwa die Stärke der Wechselwirkung zwischen den Elementarmagneten) verändert werden können.

Esslinger und sein Team schaffen ihre künstlichen Materialien, indem sie Atome verwenden, die sich im Wesentlichen wie Elektronen verhalten. Diese bringen sie dann in einen «Kristall» ein der durch eine Überlagerung mehrerer Laserstrahlen erzeugt wird. Sowohl die Laserstrahlen wie auch die gefangenen Atome können mit grosser Genauigkeit gesteuert werden. «Auf diese Weise können wir das quantenmechanische Verhalten von verschiedenen magnetischen Materialien simulieren», sagt Esslinger.

Vom Modell zur Anwendung

Die Erkundung von Eigenschaften eines quantenmechanischen Systems mit Hilfe eines anderen, das besser kontrollierbar ist, wird als Quantensimulation bezeichnet. In den vergangenen Jahren haben Physiker in diversen Forschungsgruppen intensiv daran gearbeitet, einen Quantensimulator für magnetische Materialien zu entwickeln – diese spezifische Anwendung gilt als eines der wichtigsten Ziele in diesem Feld. Esslinger und seinem Team ist es jetzt erstmals gelungen, ein Experiment aufzubauen, in dem das Verhalten einer grossen Anzahl von Elektronen in einem magnetischen Material direkt reproduziert wird. «Der Schlüssel zu unserem Erfolg ist eine Methode, die es uns ermöglicht, die extrem niedrigen Temperaturen zu erreichen, die benötigt werden, um Quantenmagnetismus erkunden zu können», erklärt Daniel Greif, Doktorand in der Gruppe von Esslinger und Erstautor der Studie. Ihre neue Methode ermöglichte es den Physikern, ein magnetisches System mit 5’000 Atomen zu erschaffen. Gemeinsam mit der Arbeitsgruppe von Matthias Troyer, Professor am Institut für Theoretische Physik, untersuchen sie derzeit, ob das Verhalten dieses Systems auf einem herkömmlichen Computer nachvollzogen werden kann.

Quantensimulatoren bieten die Möglichkeit, verschiedenste Szenarien durchzuspielen, wie Elektronen in einem magnetischen Material miteinander wechselwirken. Die Ergebnisse solcher Simulationen können dann mit dem Verhalten natürlicher magnetischer Materialien verglichen werden. Es besteht aber auch die Aussicht darauf, magnetische Zustände zu entdecken, die bisher noch nicht in natürlichen Materialien gesehen wurden. Dies wiederum könnte zu neuen Anwendungen führen, sagt Esslinger: «Die Triebfeder hinter neuen Technologien ist oft die Entwicklung neuer Materialien, wie etwa Hochtemperatur-Supraleiter, Graphen oder eben neue magnetische Materialien.»

Originalpublikation:
Greif D, Uehlinger T, Jotzu G, Tarruell L, Esslinger T: Short-range quantum magnetism of ultracold fermions in an optical lattice. Science, 2013

Externer Link: www.ethz.ch

Zellatmung mit fatalen Folgen

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Presseinformation der LMU München vom 21.05.2013

Fehler im Erbmolekül DNA können dem ganzen Organismus gefährlich werden und schwere Erkrankungen wie Krebs nach sich ziehen. LMU-Wissenschaftler konnten nun zeigen, wie die zelluläre Atmung Fehlpaarungen bei DNA-Bausteinen verursacht.

In der DNA ist der Bau- und Funktionsplan jeder höheren Zelle durch die vier Basen Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin kodiert. Fehler in der Abfolge dieser Bausteine führen zu zellulären Fehlfunktionen bis hin zur unkontrollierten Zellteilung und der Entstehung von Krebs. Ausgelöst werden derartige Mutationen unter anderem durch die Zellatmung, bei der eingeatmeter Sauerstoff zu Wasser reduziert wird. Dabei entstehen als Zwischenprodukte sehr reaktive Sauerstoffteilchen, die die DNA angreifen. Besonders empfindlich für derartige Attacken sind die Basen Guanin (G) und Adenin (A).

„Reaktive Sauerstoffspezies verursachen zwei unterschiedliche DNA-Schäden, die man 8-oxo-G und FaPy-G nennt“, sagt Professor Thomas Carell vom Department Chemie der LMU. Bereits 2004 klärte Carell mit seinem Team den Mechanismus auf, wie 8-oxo-G Mutationen auslöst. Über FaPy-G war allerdings nur wenig bekannt – bis jetzt: In einer neuen Studie zeigen Carell und seine Mitarbeiter, wie FaPY-G zu Fehlpaarungen in der DNA führt.

Gefährlicher Partnertausch

Guanin bildet in der DNA normalweise mit Cytosin (C) ein Basenpaar (G:C). Wird das Guanin durch die reaktiven Sauerstoffteilchen geschädigt, ergibt sich demnach zunächst ein FaPy-G:C Basenpaar. „Wir konnten nun zeigen, dass das FaPy-G während der Zellteilung auch mit Adenin eine Verbindung eingeht, sodass FaPy-G:A Basenpaare entstehen. Dieser Partnertausch ist ungewöhnlich, weil Adenin normalerweise nicht mit Guanin gepaart ist“, sagt Carell.

Später wird FaPy-G allerdings im Rahmen von DNA Reparaturprozessen als Schaden erkannt und aus der DNA entfernt. Die entstehende Lücke wird dann durch Reparaturenzyme mit Thymin (T) aufgefüllt, dem normalen Partner von Adenin – so verwandelt der Schaden das ursprüngliche G:C Basenpaar am Ende in ein A:T Basenpaar, führt also zu einer falschen Basenabfolge.

Möglich ist dieser Mechanismus, weil die Natur zur Überraschung der Wissenschaftler offenbar große Probleme hat, bei der Zellteilung ein gesundes Guanin von einer kranken FaPy-G Base zu unterscheiden. „Dass dann auch noch eine Fehlpaarung mit Adenin gebildet wird, ist ein wesentlicher Grund für die spontane Entstehung von Tumoren“, sagt Carell, „mit jedem Atemzug erhöhen wir die Tumorgefahr um ein klitzekleines bisschen“. Ein Einblick in die Mechanismen, mit denen FaPy-G zellulären Reparaturmechanismen entkommt, könnte zukünftig aber auch helfen, Tumore zu bekämpfen, denn die Hemmung von Reparaturprozessen kann die Effizienz und Wirksamkeit von Chemotherapeutika steigern.

Die Arbeiten wurden von der DFG im Rahmen des SFB 646 und des SFB 749 sowie des Exzellenzclusters „Center for Integrated Protein Science Munich“ (CIPSM) gefördert. göd

Publikation:
Nature Chemical Biology 2013

Externer Link: www.uni-muenchen.de