Newton auf den Kopf gestellt

Presseaussendung der Universität Innsbruck vom 01.06.2017

In der Quantenwelt bewegen sich Objekte nicht immer so, wie wir es im Alltag gewohnt sind. Innsbrucker Experimentalphysiker um Hanns-Christoph Nägerl haben gemeinsam mit Theoretikern in München, Paris und Cambridge ein Quantenteilchen beobachtet, das sich in einer Oszillationsbewegung durch ein eindimensionales Gas bewegt. Sie berichten darüber in der Fachzeitschrift Science.

Ein vom Baum fallender Apfel soll Isaac Newton zu jener Theorie inspiriert haben, die die Bewegung eines Objekts beschreibt. Die Newtonschen Gesetze besagen, dass ein sich bewegendes Objekt sich gerade weiterbewegt bis eine äußere Kraft die Bahn verändert. Die Bedeutung dieser Bewegungsgesetze ist allgegenwärtig und reicht vom Fallschirmspringer im Schwerefeld der Erde über das Gefühl der Trägheit in einem beschleunigenden Flugzeug bis zu den Umlaufbahnen der Planeten um die Sonne.

In der Quantenwelt hingegen stößt dieses Alltagsverständnis von Bewegung an Grenzen und scheitert manchmal überhaupt. „Oder können Sie sich eine Glasmurmel vorstellen, die sich durch eine Flüssigkeit auf und ab bewegt anstatt einfach runter zu fallen“, fragt Hanns-Christoph Nägerl vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck. Sein Team hat gemeinsam mit Theoretikern in München, Paris und Cambridge ein Quantenteilchen entdeckt, das genau dieses Verhalten zeigt. Grundlage der überraschenden Beobachtung ist die sogenannte Quanteninterferenz, jene Gesetzmäßigkeit der Quantenmechanik, wonach Teilchen sich wie Wellen verhalten, die sich aufsummieren oder auslöschen können.

Nahe am absoluten Nullpunkt

Um das Teilchen oszillieren zu sehen, haben die Forscher ein Gas aus Cäsiumatomen fast bis auf den absoluten Nullpunkt gekühlt und in sehr dünne Röhrchen gesperrt, die mit Laserstrahlen erzeugt wurden. Durch einen speziellen Trick wurden die Atome dazu gebracht, stark miteinander zu wechselwirken. Unter diesen extremen Bedingungen bilden die Teilchen eine Art Quantenflüssigkeit, deren Bewegung nur entlang der Röhrchen möglich ist. Die Physiker beschleunigten dann ein weiteres Atom in einem anderen Spinzustand durch das Gas. Dabei beobachteten sie, wie die Quantenwelle dieses Atoms von den anderen Atomen gestreut und wieder zurückreflektiert wurde. Dies erzeugte die verblüffende Oszillationsbewegung, die im Gegensatz zu dem steht, was eine Murmel macht, wenn sie ins Wasser fällt. Das Experiment zeigt, dass Newtons Gesetze in der Quantenwelt nicht uneingeschränkt gelten.

Kristallines Verhalten von Quantenflüssigkeiten

Die Tatsache, dass Quantenwellen in bestimmte Richtungen reflektiert werden können, ist nicht neu. So ist zum Beispiel bekannt, dass Elektronen im Kristallgitter eines Festkörpers reflektiert werden, was als Bragg-Streuung bezeichnet wird. Im Innsbrucker Experiment war allerdings kein Kristall vorhanden. Es war vielmehr das atomare Gas selbst, das eine Art versteckte Ordnung darstellte, was Physiker als Korrelationen bezeichnen. Die nun in der Fachzeitschrift Science veröffentlichte Arbeit zeigt, wie diese Korrelationen in Verbindung mit der Wellen-Natur von Materie die Bewegung von Teilchen in der Quantenwelt bestimmen und zu neuen Phänomenen führen, die auf den ersten Blick unserer Intuition widersprechen.

Die Eigentümlichkeit der Quantenmechanik zu verstehen, kann auch für breitere Anwendungen interessant sein und zum Beispiel dabei helfen, grundlegende Mechanismen in elektronischen Bauteilen oder sogar Transportprozesse in komplexen biologischen Systemen besser zu verstehen.

Diese Forschungen wurden unter anderem vom österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und dem europäischen Wissenschaftsrat ERC und dem TUM Institute for Advanced Study finanziell unterstützt.

Originalpublikation:
Bloch oscillations in the absence of a lattice. Florian Meinert, Michael Knap, Emil Kirilov, Katharina Jag-Lauber, Mikhail B. Zvonarev, Eugene Demler, Hanns-Christoph Nägerl. Science 2017. DOI: 10.1126/science.aah6616

Externer Link: www.uibk.ac.at

Afrikanische Genvariante verändert Blutzellen

Presseinformation der LMU München vom 01.06.2017

Eine vor allem bei Menschen afrikanischer Herkunft weit verbreitete Genvariante schützt vor Malaria. LMU-Forscher zeigen erstmals, wie sie auch die Eigenschaften wichtiger Abwehrzellen des Immunsystems beeinflusst.

Im Erbmaterial nahezu der gesamten Bevölkerung Afrikas südlich der Sahara und auch bei 70 Prozent der Afroamerikaner findet sich eine Genvariante, die als „Duffy-negativ“ bezeichnet wird. Es ist bekannt, dass die Menschen, die sie in ihren Zellen tragen, seltener an Malaria erkranken. Seit Kurzem wird diese Variante auch mit einer gutartigen Verminderung der weißen Blutkörperchen – einer sogenannten benignen Neutropenie – in Verbindung gebracht. Obwohl weiße Blutkörperchen bei der angeborenen Immunabwehr eine wichtige Rolle spielen, neigen die Träger der Genvariante nicht zu vermehrten Infektionen. Im Rahmen einer von den LMU-Forschern Dr. Johan Duchêne, Professor Christian Weber und Professor Antal Rot (York, England) geleiteten Studie hat ein Wissenschaftler-Team aus Deutschland, Großbritannien, Spanien, Österreich und den USA nun aufgeklärt, auf welche Weise die Genvariante die Blutbildung beeinflusst und warum sie zu einer Neutropenie führt. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin Nature Immunology.

Der überwiegende Teil der Blutbildung findet im Knochenmark statt. Dabei differenzieren sogenannte multipotente hämatopoetische Stamm- und Vorläuferzellen zu verschiedenen reifen Blutzellen, unter anderem zu neutrophilen Granulozyten, einer Untergruppe der weißen Blutzellen, und zu Erythrozyten, den roten Blutzellen. Duffy-negativen Menschen fehlt ein bestimmtes Eiweiß auf den roten Blutzellen, der „Atypical Chemokine Receptor 1“, kurz ACKR1, der mit chemischen Botenstoffen im Körper interagiert. Da auch einige Malaria-Erreger an ACKR1 andocken, sind Menschen ohne dieses Eiweiß besser vor einigen Formen der Erkrankung geschützt. „Auf welche Weise das Fehlen von ACKR1 auf den roten Blutzellen aber die weißen Blutzellen beeinflusst, war bisher völlig unbekannt“, sagt Duchêne.

Mithilfe von Untersuchungen am Mausmodell konnten die Wissenschaftler nun zeigen, dass dieser Zusammenhang auf Mechanismen bei der Differenzierung der blutbildenden Stamm- und Vorläuferzellen beruht: Spezielle Vorläufer-Erythrozyten bilden im Knochenmark eine „Nische“, in der sich die hämatopoetischen Stammzellen befinden – und die Expression von ACKR1 auf diesen Vorläufer-Erythrozyten entscheidet über das weitere Schicksal der Stammzellen. „Wenn die Vorläufer-Erythrozyten kein ACKR1 bilden, differenzieren die Stammzellen zu neutrophilen Granulozyten, die sich molekular und funktional von denen unterscheiden, die nach Kontakt mit ACKR1 gebildet werden“, sagt Rot. „Unsere Ergebnisse legen nahe, dass diese veränderten Neutrophilen den Blutkreislauf leicht verlassen und in Gewebe, vor allem in die Milz, einwandern.“ Dadurch sinkt die Anzahl an Neutrophilen im Blut und die typische Neutropenie entsteht. Ob die in die Milz gewanderten Neutrophilen dort überdauern und zur Immunabwehr beitragen, ist noch unklar.

Nach Ansicht der Wissenschaftler könnten die veränderten Eigenschaften der Neutrophilen bei Duffy-negativen Personen die Abwehr von Krankheitserregern positiv beeinflussen und daher einen Selektionsvorteil darstellen. „Aber eine stärkere Immunantwort kann natürlich auch kontraproduktiv sein, etwa wenn die Immunreaktion ohnehin überschießt und zu chronischen Entzündungen und Autoimmunkrankheiten führt“, sagt Weber. Als nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler daher untersuchen, wie die alternative Blutbildung ohne ACKR1 die Abwehr von Infektionskrankheiten sowie Entzündungen, Atherosklerose, Gefäßerkrankungen und Krebs beeinflusst. Dies könnte helfen, neue gezielte Behandlungsstrategien für Duffy-negative Patienten zu entwickeln.

Publikation:
Nature Immunology 2017

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Designerviren stacheln Immunabwehr gegen Krebszellen an

Medienmitteilung der Universität Basel vom 26.05.2017

Schweizer Forscher haben künstliche Viren gebaut, die gezielt gegen Krebserkrankungen eingesetzt werden können. Diese Designerviren alarmieren das Immunsystem und leiten es an, Killerzellen in den Kampf gegen den Krebs zu schicken. Die Ergebnisse von Basler Virologen und Genfer Immunologen, veröffentlicht im Fachblatt «Nature Communications», bilden eine Grundlage für neuartige Krebstherapien.

Die meisten Krebszellen regen die körpereigene Abwehr, das Immunsystem, eher schlecht an und können daher ohne merkliche Gegenwehr wachsen. Ganz anders bei Virusinfektionen: Die eindringenden Viren führen im Körper zur Freisetzung von Alarmsignalen, worauf das Immunsystem alle verfügbaren Mittel zum Kampf gegen den Eindringling einsetzt.

Verstärkter Abwehrkampf

Immuntherapien, welche das Abwehrsystem des Körpers «enthemmen», werden seit einigen Jahren erfolgreich zur Krebsbehandlung eingesetzt. Dadurch wird auch sein halbherzig geführter Kampf gegen die Krebszellen verstärkt. Doch das Immunsystem dazu anzustacheln, dass es spezifisch, gezielt und mit aller Kraft gegen Krebszellen vorgeht, blieb ein weitgehend unerreichtes Ziel. Den Forschenden um Prof. Daniel Pinschewer von der Universität Basel und Prof. Doron Merkler von der Universität Genf ist es nun gelungen, neuartige Designerviren herzustellen, die genau dies bewirken sollen.

Die Forschenden haben die künstlichen Viren aus dem lymphozytären Choriomeningitis-Virus (LCMV) gebaut, welches Nagetiere, aber auch Menschen befallen kann. Sie waren für Mäuse zwar ungefährlich, lösten bei ihnen aber die für Virusinfektionen typischen Alarmsignale aus. Zudem bauten die Biomediziner den Viren besondere Eiweisse ein, die sonst nur in Krebszellen vorkommen. Bei einer Infektion mit dem Designervirus konnte das Immunsystem diese Krebseiweisse nun als gefährlich erkennen.

Die einzigartige Kombination von Alarmsignalen und dem Eiweiss von Krebszellen brachte das Immunsystem dazu, eine schlagkräftige Armee von zytotoxischen T-Lymphozyten herzustellen, die auch Killerzellen genannt werden. Diese konnten die Krebszellen anhand ihres Eiweisses gezielt erkennen und erfolgreich bekämpfen.

Hoffnung auf neue Krebstherapien

Die Behandlungsmöglichkeiten für Krebspatienten haben sich in den letzten Jahren enorm weiterentwickelt. Dennoch sprechen viele Krebsarten nach wie vor unzureichend auf die derzeit verfügbaren Therapien an, wie die Forschenden schreiben. «Wir erhoffen uns, dass unsere neuen Erkenntnisse und Technologien bald in der Krebstherapie Anwendung finden und einen Beitrag leisten, die Behandlungserfolge bei Krebs weiter zu steigern», sagt der Letztautor der Studie, Prof. Daniel Pinschewer.

Originalbeitrag:
Sandra M. Kallert, Stephanie Darbre, Weldy V. Bonilla, Mario Kreutzfeldt, Nicolas Page, Philipp Müller, Matthias Kreuzaler, Min Lu, Stéphanie Favre, Florian Kreppel, Max Löhning, Sanjiv A. Luther, Alfred Zippelius, Doron Merkler, & Daniel D. Pinschewer
Replicating viral vector platform exploits alarmin signals for potent CD8+ T cell-mediated tumour immunotherapy
Nature Communications (2017), doi: 10.1038/ncomms15327

Externer Link: www.unibas.ch

High Tech aus Oberösterreich: Künstliche Nerven für schnellere Heilung

Presseaussendung der JKU Linz vom 19.05.2017

Gemeinsam mit oberösterreichischen Forschungseinrichtungen haben WissenschaftlerInnen der Johannes Kepler Universität ein Verfahren entwickelt, bei dem durch künstliche Nervenzellen die Regeneration verletzten Gewebes beschleunigt werden soll. Der revolutionäre Ansatz wurde nun bei einem internationalen Wettbewerb als beste Life-Science-Geschäftsidee ausgezeichnet.

Theoretische Erkenntnisse praktisch umzusetzen ist eine Stärke der Kepler Universität. Daher gründete Dr. Klaus Schröder gemeinsam mit den JKU-Professoren Oliver Brüggemann und Ian Teasdale (beide Institut für Chemie der Polymere) 2016 das Unternehmen NP Life Science Technologies KG. Die Wissenschaftler entwickeln ein bioabbaubares Implantat, das die Regeneration geschädigter, getrennter peripherer Nerven unterstützen wird. Es hat eine Länge von einigen Millimetern und besteht aus zahlreichen parallel ausgerichteten Mikrokanälen.

„Es bildet damit sozusagen die Struktur eines Nervs nach. Den mikrometer-großen regenerierenden echten Nervenzellen und deren Ausläufern bietet es eine unmittelbare Wachstumsrichtung zwischen den Nervenenden. Die schnellere Regeneration ist vorteilhaft für PatientInnen, da sie mit einer schnelleren Ausheilung und einer dauerhaften Wiederherstellung der Lebensqualität einhergeht“, erklärt Univ.-Prof. Brüggemann.

Patent erteilt

Das Patent für dieses Verfahren  wurde in Österreich bereits erteilt. „Der Erfolg beruht darauf, dass wir auf Basis des bioanorganischen Kunststoffs Polyphosphazen organähnliche Strukturen nachbilden lassen, die in die Zellen des Körpers einwandern und geschädigte und zerstörte Gewebe regenerieren. Polyphosphazene bieten den Vorteil, dass man sie chemisch sehr gut modifizieren und sie somit den biologischen Bedürfnissen eines Gewebes anpassen kann“, erklärt Univ.-Prof. Teasdale.

Auszeichnung als beste Idee

Bereits jetzt kann das Start-up-Unternehmen einen großen Erfolg verbuchen: Am 27. April wurde die NP Life Science Technologies KG mit dem Best of Biotech Award Phase 1 ausgezeichnet. 31 Einreichungen aus drei Ländern wurden von der Fachjury eingehend geprüft. „Wir freuen uns, dass unser Projekt so erfolgreich ist“, erklärt NP-Life-Science-Technologies-CEO Dr. Klaus Schröder. „Nun hoffen wir, dass wir bald unseren ersten Prototypen für Nerven präsentieren können.“

High Tech aus Oberösterreich soll somit Menschen auf aller Welt helfen. „Schade, dass wir der einzige Wettbewerbsteilnehmer aus Oberösterreich waren“, bedauert Schröder, und hofft, dass die Vision eines „Medical Valley“ im Bundesland Wirklichkeit wird.

NP Life Science Technologies KG ist ein Unternehmen, das sich der Erforschung und Entwicklung von funktionalisierten Polymerstrukturen widmet. Das umfasst u.a. die Entwicklung von Medizinprodukten, die den menschlichen Organismus bei der Regeneration traumatisierter Gewebe unterstützten und die Funktionalität wiederherstellen. (Christian Savoy)

Externer Link: www.jku.at

Smarte Displays aus dem Drucker

Pressemitteilung der HAW Landshut vom 08.05.2017

Ein Shirt, das mit der Umwelt kommuniziert: Elektrolumineszenz-Displays könnten das bald möglich machen. Die Folien lassen sich in Kleidung integrieren. Maximilian Wurzer hat in seiner Bachelorarbeit solche Displays entwickelt.

Smarte Fitnessuhren, die den Puls messen und Schritte zählen, sind längst nichts Neues mehr. Die Minicomputer, die man bisher am Handgelenk oder in der Tasche trägt, werden jetzt in die Kleidung integriert. Auf dem Display eines smarten Shirts steht jeden Tag eine neue Botschaft, die der Träger nach Stimmung programmieren und darstellen kann – zum Beispiel über Elektrolumineszenz-Displays, kurz ELDs. Der Clou dieser Technologie: „Die Elektronik wird einfach auf einen flexiblen Träger gedruckt, zum Beispiel auf eine Folie“, erklärt Prof. Dr. Artem Ivanov von der Fakultät Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen der Hochschule Landshut. Bisher kommen ELDs hauptsächlich als Anzeigefeld unter schwierigen Bedingungen in der Industrie zum Einsatz, zum Beispiel bei hoher Luftfeuchtigkeit oder mechanischen Belastungen und sind entsprechend teuer.

„Die Auflösung kann zwar noch lange nicht mit Smartphones oder Tablets mithalten“, so Ivanov. „Trotzdem kann ich mir vorstellen, dass die ELDs in smarter Kleidung zum Einsatz kommen könnten, denn sie sind biegsam, robust und günstig zu produzieren.“ Wie das aussehen könnte, hat Maximilian Wurzer in seiner Bachelorarbeit untersucht: „Es ging darum herauszufinden, wie man ELDs mit dem aktuellen Stand der Technik sinnvoll, sicher und schick in Kleidung integrieren kann“, so Wurzer, der Wirtschaftsingenieurwesen studiert hat.

ELDs: biegsam, robust und günstig

Dafür hat er zunächst das rund fünf Zentimeter lange Display entworfen und aufgebaut, das später Caps und T-Shirts zieren sollte. Es besteht aus fünf Schichten, die er nacheinander im Labor auf die Trägerfolie aufgedruckt hat. „Man muss sich das wie Siebdruck vorstellen. Für jede Schicht wird eine Siebschablone hergestellt. Darauf gibt man die Paste und zieht den Überschuss wieder ab“, erklärt Wurzer. „Ohne die Hilfe der Labormeister wäre das gar nicht möglich gewesen. Sie wissen genau, welche Pasten sich eignen, wie schnell man sie auftragen oder wie man die Parameter an der Maschine einstellen muss.“

Schicht für Schicht sind die Displays entstanden. Das Kernstück sind die zwei Elektrodenschichten: Legt man dort Wechselstrom an, entsteht ein elektrisches Feld. Das bewirkt, dass die dazwischenliegende Phosphorschicht, die aus verbundenen Pixeln besteht, leuchtet und sich als blaue Formen oder Schriftzüge auf dem Display zeigt. Um Kurzschlüsse zu vermeiden, hat Wurzer zwei weitere Schichten aus isolierendem Material aufgebracht. „Auf manche Displays haben wir noch einen blauen Farbfilter appliziert. Das erhöht den Kontrast des blauen Leuchtstoffs“, so Wurzer.

Spannung bringt Display zum Leuchten

Spannung an den Elektroden bringt das Display zum Leuchten. Der Student hat dafür eine eigene Treiberschaltung gebaut. Darin kann er programmieren, wann welches Pixel leuchten soll. „Das ist auch das Besondere an der Arbeit. Bisher gab es keine kompakten Treiberschaltungen für pixelbasierte ELDs, auf denen man unterschiedliche Inhalte zeigen kann. Das ist etwas ganz Neues“, so der betreuende Professor Ivanov. Daher musste Wurzer sich auch mit den Sicherheitsvorgaben befassen: „Je höher die Spannung desto heller leuchtet das ELD. Doch ist sie zu hoch, halten die Bauteile das nicht aus oder es ist zu gefährlich, das Display am Körper zu tragen. Ist sie zu niedrig, leuchtet das Display nicht mehr“, fasst Wurzer zusammen. Er hat daher Widerstände und einzelne Bauteile der Schaltung so eingestellt, dass man sie sicher berühren kann: „Leider hat das Display dadurch etwas an Helligkeit eingebüßt.“ Die Folge: Im Dunkeln und in künstlich beleuchteten Räumen kann man gut erkennen, welcher Schriftzug über die Displays läuft. Für einen Sonnenplatz reicht die Leuchtkraft der Phosphorschicht nicht ganz.

Wurzer hat seine ELDs auf einen Rucksack, Shirts und Caps integriert. „Die Technologie lässt sich weiterentwickeln und mit anderer Steuerungselektronik koppeln“, meint er. Zum Beispiel in Sachen E-Health: „Wenn ein Diabetespatient zu weit in den Unterzucker fällt und bewusstlos wird, könnte das Zuckermessgerät über einen Funksender das Display aktivieren, das im Shirt integriert ist.“ Darauf würde dann erscheinen: „Diabetespatient im Unterzucker, bitte rufen Sie einen Notarzt.“ Wie die kleinen Bildschirme die Medizintechnik voranbringen könnten, könnten weitere Themen für Abschlussarbeiten an der Hochschule Landshut sein.

Externer Link: www.haw-landshut.de