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Verengte Blutgefässe: Basler und Genfer Forscher entwickeln Nanocontainer

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 10.06.2012

Zur Behandlung verengter Blutgefässe bei Arteriosklerose haben Forscher der Universität und der Universitätskliniken Genf sowie der Universität Basel sogenannte Nanocontainer in Linsenform geschaffen. Diese Nanogefässe können Medikamente transportieren und sie an den Verengungen gezielt freisetzen. Damit lassen sich die Nebenwirkungen der bisherigen Behandlungen weitgehend vermeiden. Die Resultate wurden in der Fachzeitschrift «Nature Nanotechnology» online veröffentlicht.

Herz-Kreislauf-Erkrankungen, die durch Arteriosklerose verursacht werden, sind heute weltweit die häufigste Todesursache. In der Schweiz sterben jedes Jahr über 20’000 Menschen daran, was 37% aller Todesfälle entspricht. Bereits im jungen Erwachsenenalter entwickeln sich in den Blutgefässen Ablagerungen. Die entstehenden Verengungen werden in der Regel mit Medikamenten wie Nitroglycerin geweitet. Da sich diese aber auf das ganze Blutsystem auswirken, treten bei den heutigen Therapien massive Nebenwirkungen wie der Abfall des Blutdrucks auf.

Mit den in Genf und Basel neu entwickelten Nanocontainern lässt sich die bisherige Behandlung von Grund auf umgestalten: Die intravenöse Injektion eines gefässerweiternden Medikaments beeinflusst nun lediglich die betroffenen Verengungen und nicht auch die übrigen Arterien und Venen. Damit wird das Absinken des Blutdrucks weitgehend verhindert, was während und nach einem Herzinfarkt gezielt zur angestrebten erhöhten Durchblutung des betroffenen Gefässes führt.

Moleküle umgebaut: Linse statt Kugel

Für ihre Entwicklung nutzen die Wissenschaflter die sogenannten Scherkräfte im Blutstrom aus, die an den Verengungen deutlich höher als in gesunden Blutgefässen sind. Ihre Nanocontainer bewegen sich frei durch den normalen Blutstrom, wobei sie sich durch die erhöhte Scherkraft an den verengten Stellen öffnen und ihren Inhalt, das Medikament, lokal freisetzen. Dafür änderten die Forscher die Zusammensetzung von natürlich vorkommenden Molekülen (Phospholipiden), indem sie die Ester-Bindungen durch Amide ersetzten. Die Moleküle werden danach hydratisiert und erhitzt, sodass sich eine «flüssige» Kugel aus Tausenden von ihnen bildet. Beim Abkühlen dieser Kugeln lassen sich Linsen erzeugen. Der verringerte Ordnungsgrad der Moleküle am Linsenäquator führt zu Sollbruchstellen, was die scherkraftinduzierte Medikamentenfreisetzung ermöglicht.

Die Wissenschaftler, ein interdisziplinäres Team aus Medizinern, Physikern und Chemikern, hatten ein Herz-Kreislauf-System mit einer gesunden und einer verengten Arterie modelliert. Die neuartigen Nanocontainer wurden in dieses System injiziert und Proben genommen. Es zeigte sich, dass die Konzentration des Wirkstoffs an verengten Stellen signifikant höher war als in normalen Gefässen. Damit lassen sich die Effizienz und die lokale Dosis der Medikamente beträchtlich steigern. Dieser richtungsweisende Beitrag zur Nanomedizin eröffnet neue Behandlungsstrategien für die zahlreichen Herz-Kreislauf-Patienten.

Originalbeitrag:
Margaret N. Holme, Illya A. Fedotenko, Daniel Abegg, Jasmin Althaus, Lucille Babel, France Favarger, Renate Reiter, Radu Tanasescu, Pierre-Léonard Zaffalon, André Ziegler, Bert Müller, Till Saxer and Andreas Zumbuehl
Shear-stress sensitive lenticular vesicles for targeted drug delivery
«Nature Nanotechnology» (published online 10 June 2012) | doi 10.1038/NNANO.2012.84

Externer Link: www.unibas.ch

Simultane Übersetzung: Lehre ohne Sprachbarrieren

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Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 11.06.2012

Das Institut für Anthropomatik des KIT stellt sein System zur automatischen simultanen Vorlesungsübersetzung vor

Die Internationalisierung stellt Universitäten auch vor sprachliche Herausforderungen: Sollen sie ihre Lehrveranstaltungen auf Englisch umstellen – oder müssen alle ausländischen Studierenden Deutsch lernen? Eine alternative Lösung hat das Institut für Anthropomatik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) entwickelt: den – an einer Universität – weltweit ersten automatischen simultanen Übersetzungsdienst per Computer. Professor Alex Waibel und sein Team stellten das System nun am KIT-Campus Süd vor.

„Der automatisierte Vorlesungsübersetzungsdienst ist das Ergebnis langjähriger Spitzenforschung, das der Lehre zu Gute kommt und von dem hoffentlich bald Generationen von Studierenden weltweit profitieren werden“, sagte Theresia Bauer, Ministerin für Wissenschaft, Kunst und Kultur des Landes Baden-Württemberg bei der Vorstellung des Übersetzungsdienstes. „Er ist ein bedeutender Ansatz im Hinblick auf die zunehmende Heterogenität unserer Studierenden, der wir als weltoffener Wissensstandort begegnen wollen.“

„Am KIT haben wir etwa 16 Prozent ausländische Studierende, an Universitäten in den USA sind es bis zu 50 Prozent“, sagt KIT-Präsident Professor Horst Hippler, „im internationalen Wettbewerb um die besten Wissenschaftler sind wir also noch im Nachteil“. Das System des Vorlesungsübersetzers will hier helfen, talentierte Studierende aus dem Ausland ans KIT zu holen und ist Teil der Anstrengungen am KIT, die Sprachbarrieren zu überwinden. „Der Vorlesungsübersetzer zeichnet automatisch den Vortrag des Referenten auf, verschriftet ihn und übersetzt ihn in Echtzeit ins Englische“, sagt Professor Alex Waibel. „Über ihren PC oder ihr Mobiltelefon können die Studierenden dann der Vorlesung folgen.“ Zudem übersetzt die Technologie auch die Vorlesungsfolien und ermöglicht den Zugriff auf vergangene Veranstaltungen über Suchbegriffe in den verschrifteten Vorträgen.

Der Vorlesungsübersetzer kombiniert die Technologien der automatischen Spracherkennung und der statistischen maschinellen Übersetzung zu einem integrierten System. Hilfskomponenten kümmern sich dabei um die Strukturierung des Textes, die Zeichensetzung, die Behandlung von Komposita im Deutschen sowie die Aufnahme des Vortrages und die Anzeige des Übersetzungsergebnisses. Die Kombination der Komponenten erfolgt dabei mithilfe einer innovativen Serviceinfrastruktur.

„Die Übersetzung ist nicht immer perfekt“, sagt Waibel, „aber sie wird Teil der sprachlichen Werkzeuge, mit denen nun Studierende den Vorlesungen trotz Sprachbarrieren besser folgen können“. Der Vorlesungsübersetzer läuft zurzeit im Testbetrieb in Lehrveranstaltungen der Fakultäten Informatik und Maschinenbau am KIT. Zukünftig ist geplant, mehrere Sprachen zur Auswahl anzubieten und ein breiteres Vorlesungsangebot damit zu unterstützen. Von dem Service profitieren nicht nur ausländische Studierende, sondern auch hörgeschädigte Personen.

Der Dienst des Vorlesungsübersetzers ist das Ergebnis von zwei Jahrzehnten Forschung von Alex Waibel und seinen wissenschaftlichen und kommerziellen Partnern, vor allem der Carnegie Mellon University, Pittsburgh, sowie Mobile Technologies LLC & GmbH. Unterstützung erhält der deutsche Vorlesungsübersetzer auch aus Mitteln der Europäischen Kommission sowie der deutschen Exzellenzinitiative. (roe, le)

Externer Link: www.kit.edu

Halogenbrücken bereichern die Wirkstoffforschung

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Pressemitteilung der Universität Tübingen vom 31.05.2012

Pharmazeuten der Universität Tübingen präsentieren neues Konzept für die Erforschung von Tumortherapien

Halogene – besonders die Elemente Chlor, Brom und Iod – besitzen einzigartige Eigenschaften, mit denen sie die Interaktion zwischen Molekülen positiv beeinflussen können. Diese Wechselwirkungen werden mit dem Begriff „Halogenbrücken“ (engl.: „Halogen Bonding“) bezeichnet. Das Phänomen der Halogenbrücken ist seit Längerem im Bereich der Materialwissenschaften bekannt, hatte aber bisher wenig Bedeutung in den Lebenswissenschaften. Dabei können solche Halogenbrücken gerade auch die Erkennung von kleinen therapeutisch einsetzbaren Molekülen durch ihre biologischen Zielstrukturen beeinflussen.

Tübinger Wissenschaftler zeigen nun erstmals, wie Halogenbrücken für Krebstherapien nutzbar gemacht werden könnten. Professor Frank Böckler und seine Mitarbeiter präsentierten dabei ein neues Konzept für eine moderne Methode der Wirkstoffforschung, die „Fragmentbasierte Leitstruktur-Entwicklung“. Bei dieser werden Substanzbibliotheken bestehend aus kleinen chemischen Fragmenten in einem Screening-Verfahren an biologischen Zielstrukturen wie Proteinen oder DNA getestet, um neue Startpunkte für die Entwicklung von Wirkstoffen zu finden.

Bisher waren Halogene, besonders die schwereren Elemente Brom und Iod, in entsprechenden Bibliotheken chemischer Fragmente stark unterrepräsentiert. Die Wissenschaftler aus dem Pharmazeutischen Institut der Universität Tübingen beschreiben nun im „Journal of the American Chemical Society“ (DOI: 10.1021/ja301056a) zum ersten Mal das Design und die Anwendung von mit Halogenen angereicherten Fragment-Bibliotheken, bezeichnet mit dem Akronym „HEFLibs“. Es war ihnen gelungen, mit HEFLibs eine defekte Form des Transkriptionsfaktors p53 in Zellen zu reaktivieren. Dieser nimmt eine zentrale Rolle in der Krebsprävention und -abwehr ein.

p53 sorgt dafür, dass Proteine gebildet werden, die wichtige Vorgänge der Zelle steuern, beispielsweise die Reparatur von DNA oder die Not-Abschaltung der Zelle durch Apoptose – den programmierten Zelltod. Die Schädigung von p53 durch Mutation kann zum Verlust dieser Kontrollfunktionen und somit zur Entwicklung verschiedener Krebsarten führen. Verbindungen, die in der Lage sind, das mutierte p53 zu reaktivieren, könnten deshalb großes Potential für die Tumortherapie besitzen.

Durch Anwendung des neuen HEFLibs-Konzepts konnten nun Verbindungen identifiziert werden, welche die p53 Krebs-Mutante Y220C erkennen, stabilisieren und damit reaktivieren können. Diese Verbindungen – 2-(Aminomethyl)-4-ethynyl-6-iodophenole – stellen somit einen interessanten Startpunkt für die weitere Optimierung dar. „Diese Ergebnisse sind das Resultat einer langjährigen engen Zusammenarbeit mit Dr. Andreas Jörger und Prof. Sir Alan Fersht vom MRC Laboratory of Molecular Biology in Cambridge/UK“, berichtet Prof. Böckler.

„Die Idee, Halogenbrücken gezielt durch HEFLibs zu induzieren und dieses Konzept an mutiertem p53 zu erproben, ist vor allem das Verdienst von Dr. Rainer Wilcken, der für seine in Tübingen angefertigte Doktorarbeit mit dem Merckle-Promotionspreis 2011 ausgezeichnet wurde“, so Böckler. „In den Kristallstrukturen der Protein-Ligand-Komplexe der von uns entwickelten Verbindungsklasse zeigt sich die wesentliche Bedeutung der durch Iod vermittelten Halogenbrücke für die molekulare Erkennung. Die Ergebnisse geben Anlass zu der Hoffnung, dass HEFLibs großes Potential für die Anwendung als neue Strategie für die Identifikation von Leitstrukturen haben, bei einer Vielzahl von therapeutisch relevanten Proteinen. Die Editoren von JACS haben deshalb unsere Veröffentlichung als JACS Spotlight ausgewählt.“

Publikation:
Rainer Wilcken, Xiangrui Liu, Markus O. Zimmermann, Trevor J. Rutherford, Alan R. Fersht, Andreas C. Joerger* & Frank M. Boeckler*: „Halogen-Enriched Fragment Libraries as Leads for Drug Rescue of Mutant p53“.  J. Am. Chem. Soc., 2012, 134 (15), pp 6810-6818  (DOI: 10.1021/ja301056a)

Externer Link: www.uni-tuebingen.de

Molekulare Algebra in Säugetierzelle

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Medienmitteilung der ETH Zürich vom 04.06.2012

ETH-Forscher haben Säugetierzellen so umprogrammiert, dass sie wie ein Taschenrechner logische Rechenoperationen ausführen können. Diese Fähigkeit verdanken die Zellen einem der komplexesten genetischen Netzwerke, das je in eine höhere Zelle eingebaut wurde.

ETH-Forscher haben unter der Leitung von Martin Fussenegger, Professor für Biotechnologie und Bioingenieurwissenschaften am Departement Biosysteme der ETH Zürich in Basel, ein Netzwerk aus verschiedenen Genen gebaut, welches Rechenoperationen durchführen kann und als Resultat der «Berechnungen» vorgegebene Stoffwechselschritte einleitet.

Im Prinzip haben die Wissenschaftler aus biologischen Bestandteilen Schaltelemente entwickelt, die in der Computer- und Elektrotechnik als logische Gatter bekannt sind. Die Grundlage der ausgeführten Rechenoperationen ist die Boolesche Logik, welche beispielsweise mit UND oder XOR-Verknüpfungen funktioniert.

Zelle kann mit binären Zahlen rechnen

Es gelang den Forschenden, diese verschiedenen Gatter miteinander zu kombinieren und zu verschalten. Daraus konnten sie zwei wichtige Schaltnetze aus der digitalen Elektronik zusammenstellen – den Halbaddierer und den Halbsubtraktor. Ein Halbaddierer zählt zwei binäre Zahlen – also Nullen und Einsen – zusammen, ein Halbsubtraktor zieht sie voneinander ab.

Die ETH-Forscher verwenden für die Programmierung des Zelltaschenrechners zwei Inputsignale, die das Gennetzwerk steuern. Zu Testzwecken setzten die Biologen dafür das Antibiotikum Erythromycin und das Apfelmolekül Phloretin ein. So müssen beispielsweise bei einem UND-Gatter beide Inputs – also Phloretin und Erythromycin – vorhanden sein, damit die Zelle am Ausgang eine Eins berechnet. Als Folge dieser Eins löst das Gen-Netzwerk die Bildung eines fluoreszierenden Proteins aus, welches die Zelle zum Leuchten bringt. Fehlt eines der beiden Eingangssignale, leuchtet die Zelle nicht auf.

Neue Komplexitätsstufe erreicht

„Mit der Kombination mehrerer logischer Gatter haben wir eine nie dagewesene Komplexität eines synthetischen Gennetzwerkes in Zellen erreicht“, betont Prof. Martin Fussenegger. Weiter sei bemerkenswert, dass der Bio-Rechner zwei unterschiedliche Input- und Output-Signale parallel verarbeiten könne. Dies unterscheidet den Bio-Computer von digitaler Elektronik, da dieser ausschliesslich mit Elektronen arbeitet. „Eine Zelle kann von Natur aus viele verschiedene Stoffwechselprodukte parallel verarbeiten“, führt Prof. Fussenegger weiter aus. Der biologische Taschenrechner beherrscht bisher nur die binären Grundrechenarten und kann deshalb noch lange nicht mit einem leistungsfähigen PC verglichen werden. „Dennoch ist es genial, dass eine Säugetierzelle so rechnen kann“, sagt Prof. Fussenegger.

Zellrechner könnte Stoffwechsel überwachen

In Hefen und Bakterien haben Wissenschaftler schon diverse Schaltelemente realisiert. Neu ist aber, dass Biotechnologen ein gesamtes System in eine einzige Zelle einbauen konnten, und zwar in einer Säugetierzelle.

Für Prof. Martin Fussenegger ist es denkbar, dass implantierte Zelltaschenrechner in ferner Zukunft den Stoffwechsel von Patienten überwachen und nach Bedarf eingreifen. „Intelligente“ Zellimplantate könnten zum Beispiel bei Diabetespatienten zum Einsatz kommen, indem ein Schaltkreis entwickelt werde, der krankheitsrelevante Stoffwechselprodukte erkennt und die Ausschüttung von therapeutisch wirksamen Stoffen, beispielsweise Insulin, steuert. Von einer solchen Anwendung sind die Forscher jedoch noch weit entfernt.

Publikation:
Ausländer S, Ausländer D, Müller M, Wieland M & Fussenegger M. Programmable single-cell mammalian biocomputers. Nature, Advanced Online Publication, 3rd June 2012. DOI: 10.1038/nature11149

Externer Link: www.ethz.ch

Sicher – oder benutzbar?

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Pressemitteilung der Universität Stuttgart vom 25.05.2012

Stuttgarter Forschergruppe sucht nach neuen Lösungen für Passwörter und Pins

Ob Scheckkarte, Handy, Webseiten oder der Computer im Büro – ohne Passwörter und Pins geht im modernen Leben fast nichts mehr. Doch was die Sicherheit gewährleistet, kann sich der Mensch meist nicht merken. Die Arbeitsgruppe „Mensch-Computer-Interaktion“ am Institut für Visualisierung und Interaktive Systeme der Universität Stuttgart sucht nach Lösungen, bei denen sich Sicherheit und Benutzbarkeit nicht ausschließen. Die Authentisierung, also zum Beispiel das Anmelden auf einer Webseite, ist dabei das zentrale Thema. Ihre Forschungsarbeiten stellten die Stuttgarter Wissenschaftler jüngst auch auf der internationalen Konferenz für Mensch-Maschine Interaktion CHI 2012 in Austin/Texas vor.

Ein sicheres Passwort besteht idealerweise aus einer langen Kombination von Buchstaben, Zahlen sowie Sonderzeichen und sollte regelmäßig geändert werden. Doch diese aus technischer Sicht sinnvollen Hinweise sind für viele Menschen in der Umsetzung im Alltag zu aufwändig. Häufig schreiben sie sich die Passwörter daher auf und die eigentlich zur Erhöhung der Sicherheit gedachte Maßnahme führt genau zum Gegenteil.

Ein Verfahren, das die Stuttgarter Wissenschaftler in Kooperation mit der Universität Cambridge in Großbritannien entwickelt haben, verwendet daher Bilder statt Passwörter für den Anmeldevorgang. Ein System zeichnet die Blickbewegung des Benutzers auf und verwendet diese zur Authentisierung. Zur Registrierung betrachtet der Benutzer die Details eines Bildes in einer von ihm gewählten Reihenfolge. Indem eine vorberechnete Bildmaske einfach zu erratende Blickbewegungen ausschließt, wird das neue Verfahren sicher und ist zugleich einfach zu benutzen. Was bisher noch an Laborgeräten getestet wird, dürfte schon in fünf Jahren an jedem Display einsetzbar sein, das Augenbewegungen aufzeichnen kann, so zum Beispiel bei Laptops, Handys oder auch mit Hilfe der viel diskutierten neuen Google-Brillen.

Signatur aus der Luft

Problematisch ist auch die Sicherung von Mobiltelefonen, die meist eine Vielzahl sehr privater Informationen, wie das Adressbuch, SMS, E-Mails und offene Webseiten enthalten und in der Regel durch die Eingabe eines PINs oder von Gesten vor dem Zugriff Dritter geschützt werden sollen. Solche Gesten oder PIN-Eingaben sind aber mit einer Kamera sehr einfach zu beobachten. Mit Hilfe der Aufnahme ist der Entsperrvorgang reproduzierbar und daher recht unsicher. Gemeinsam mit den Telekom Innovations Labs in Berlin haben die Forscher aus Stuttgart die Sicherheit eines Verfahrens untersucht, bei dem der Benutzer seine Unterschrift mit einem Magneten in die Luft schreibt, um das Telefon zu entsperren. Zur Überprüfung der Sicherheit wurde ein Szenario durchgespielt, bei dem ein Angreifer mit vier Kameras versuchte, die Passwörter der Testpersonen zu knacken. Gelungen ist es ihm nicht: Sicherheit und Benutzbarkeit sind also durchaus vereinbar. Allerdings: „Die Grundvoraussetzung ist, dass der Mensch und seine Fähigkeiten in die Sicherheitsanalyse sowie in das Design einbezogen werden“, so der Leiter der Forschungsgruppe, Prof. Albrecht Schmidt vom Lehrstuhl Mensch-Computer-Interaktion innerhalb des Exzellenzcluster Simulation Technology der Universität Stuttgart. Damit eine Technologie angenommen wird und im Wettbewerb eine Chance hat, müsse sie einfach handhabbar und verständlich sein – „und sie muss Spaß machen.“

Externer Link: www.uni-stuttgart.de