Wie die Zellstruktur das Immungedächtnis orchestriert

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Medienmitteilung der Universität Basel vom 08.03.2018

Bei jeder Infektion oder Impfung bilden sich Gedächtniszellen, mit denen sich der Körper an den Erreger erinnert. Diese Erkenntnis ist jahrzehntealt – doch strukturell fassen liess sich das zelluläre Immungedächtnis bisher nicht. Forschende von Universität und Universitätsspital Basel haben nun eine mikroanatomische Region in Gedächtniszellen identifiziert, die ein rasches Funktionieren in den ersten Stunden der Immunantwort ermöglicht, berichten sie in der Fachzeitschrift «Immunity».

Das Abwehrsystem des menschlichen Körpers erinnert sich an krankmachende Erreger und kann bei erneutem Kontakt viel schneller reagieren. Impfungen sind ein Paradebeispiel dafür, wie uns das Immungedächtnis vor Infektionskrankheiten schützen kann. In seiner Funktion und seiner Wirkung ist das immunologische Gedächtnis damit gut fassbar – der Mensch bleibt gesund, obwohl er dem Erreger ausgesetzt ist. Doch spezifische zelluläre Strukturen, die das Immungedächtnis ermöglichen, blieben bislang verborgen.

Forschende einer internationalen Gruppe um Prof. Dr. Christoph Hess vom Departement Biomedizin von Universität und Universitätsspital Basel haben nun eine Struktur gefunden, die das rasche Immungedächtnis bestimmter Abwehrzellen (CD8-T-Zellen) ausmacht: Diese wichtigen Gedächtniszellen verfügen über zahlreiche Verbindungen zwischen Mitochondrien – den Kraftwerken der Zelle – und dem sogenannten endoplasmatischen Retikulum, dem Ort der Eiweissproduktion.

Rasche Immunantwort

An diesen Verbindungen wird die rasche Immungedächtnis-Antwort buchstäblich «orchestriert», so die Forschenden. Die Gedächtniszellen konzentrieren hier all jene Signalübertragungs-Moleküle und Enzyme, die für eine schnelle Immunantwort des Körpers nötig sind – und sind damit bereit, wenn der Organismus erneut dem krankmachenden Erreger ausgesetzt ist. So kann der Körper rasch vor dieser Infektion geschützt werden.

«Ein präzises Verständnis der Strukturen, die das Immungedächtnis ausmachen, ist eine wichtige Grundlage dafür, die Immunantworten in Zukunft gezielt zu stärken – etwa bei Impfungen und in der Krebsbekämpfung – oder zu dämpfen, wie etwa bei Autoimmunerkrankungen. Es ist faszinierend, wie auch hier der von Louis Sullivan 1896 geschriebene Grundsatz gilt ‹Form ever follows function›», kommentiert Studienleiter Christoph Hess die Resultate.

Originalbeitrag:
Glenn R. Bantug, Marco Fischer, Jasmin Grählert, Maria L. Balmer, Gunhild Unterstab, Leyla Develioglu, Rebekah Steiner, Lianjun Zhang, Ana S.H. Costa, Patrick M. Gubser, Anne-Valérie Burgener, Ursula Sauder, Jordan Löliger, Réka Belle, Sarah Dimeloe, Jonas Lötscher, Annaïse Jauch, Mike Recher, Gideon Hönger, Michael N. Hall, Pedro Romero, Christian Frezza, and Christoph Hess
Mitochondria–Endoplasmic Reticulum contact sites function as immunometabolic hubs that orchestrate the rapid recall response of memory CD8 T cells
Immunity (2018), doi: 10.1016/j.immuni.2018.02.012

Externer Link: www.unibas.ch

Biosensoren aus Graphen einfach ausdrucken

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Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.03.2018

Zellbasierte Biosensoren können die Wirkung verschiedener Stoffe, wie beispielsweise Medikamente, auf den menschlichen Körper im Labor nachbilden. Je nach Messprinzip kann ihre Herstellung jedoch teuer sein. Oft wird daher auf ihren Einsatz verzichtet. Kostenfaktoren bei elektrisch messenden Sensoren sind das teure Elektrodenmaterial und eine aufwändige Fertigung. Fraunhofer-Wissenschaftler stellen Biosensoren mit Graphen-Elektroden günstig und einfach im Rolle-zu-Rolle-Druck her. Ein Anlagen-Prototyp für die Massenproduktion existiert bereits.

Zellbasierte Biosensoren messen Veränderungen in Zellkulturen über elektrische Signale. Das geschieht mittels Elektroden, die innerhalb der Petrischale oder den Näpfchen einer sogenannten Wellplatte angebracht sind. Zerstören beispielsweise hinzugegebene Viren eine durchgängige Zellschicht auf den Elektroden, verringert sich der zwischen den Elektroden gemessene elektrische Widerstand. Auf diese Weise lässt sich z. B. die Wirkung von Impfstoffen oder Medikamenten testen: Je effektiver der Wirkstoff ist, desto weniger Zellen werden von den Viren zerstört und desto geringer ist die gemessene Widerstandsänderung. Auch Toxizitätstests, z. B. an Kosmetikprodukten, können nach dem gleichen Prinzip ablaufen und in Zukunft möglicherweise Tierversuche ersetzen. Ein weiterer Vorteil: Verknüpft man Biosensoren mit einer Auswerteeinheit, können Messungen kontinuierlich und automatisiert ablaufen.

Leitfähig, biokompatibel, druckbar

Doch die Herstellung der beschriebenen Biosensoren ist teuer und aufwändig: Die Elektroden bestehen aus einem bioverträglichen und elektrisch leitfähigen Material wie beispielsweise Gold oder Platin. Für die Mikroelektrodenherstellung ist ein komplizierter lithografischer Prozess notwendig. Die Folge: Die Labore kaufen diese Biosensoren wegen der hohen Kosten oftmals erst gar nicht ein, die Untersuchung der Zellkulturen erfolgt weiter händisch unter dem Mikroskop. Alternativ zu Edelmetallen kann mittlerweile aber Graphen als Werkstoff für die Elektroden verwendet werden. Die Vorteile des aus Kohlenstoffen bestehenden Materials: Es ist elektrisch leitfähig, biokompatibel und lässt sich, sofern es in Form einer Tinte vorliegt, auf Oberflächen drucken.

Eine solche Graphen-Tinte haben sich Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Biomedizinische Technik IBMT aus St. Ingbert im Saarland zu Nutze gemacht. Gemeinsam mit Industriepartnern haben sie in dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF geförderten M-era.Net-Projekt BIOGRAPHY einen Druckprozess entwickelt, der es ermöglicht, Biosensoren aus Graphen in großer Stückzahl im kostengünstigen Rolle-zu-Rolle-Verfahren herzustellen. »Unser Anlagen-Prototyp kann ca. 400 Biosensoren pro Minute auf eine Endlosfolie drucken«, beschreibt Dr. Thomas Velten, Abteilungsleiter Biomedizinische Mikrosysteme am IBMT und Projektleiter BIOGRAPHY, das Ergebnis der Entwicklungsarbeiten. Während Druckanlage und Graphen-Tinte von Partnern stammen, haben sich die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am IBMT um die Gestaltung des Druckprozesses gekümmert. »Insbesondere ist es entscheidend, Parameter wie Tintenviskosität, Druckgeschwindigkeit, Rakelanpressdruck – ein Rakel streift überschüssige Tinte ab – und Näpfchentiefe des Druckzylinders so aufeinander abzustimmen, dass die gedruckten Strukturen den Sollmaßen entsprechen«, erklärt Velten. Ein interdisziplinäres Team aus Biologen und Technikern des IBMT entwickelte zudem eine Proteintinte, die nach dem Graphen direkt auf die Elektroden gedruckt wird. Velten: »Erst durch die Proteine haften die Zellen ausreichend gut auf der Elektrodenfolie.« Ein komplizierter Vorgang: Die Oberflächenenergien von Folie und Tinte sind so aufeinander abzustimmen, dass der Transfer der Tinte vom Druckzylinder zur Folie optimal erfolgt. Besonders kritisch ist das Trocknen der gedruckten Strukturen, da die Proteine weder Lösemittel noch hohe Temperaturen vertragen. Nur der richtige Mix aus Tinteninhaltsstoffen und Trocknungsmethode gewährleistet, dass die Tinte ausreichend schnell trocknet.

Nach dem erfolgreichen Bau des Prototyps stehen jetzt die Praxistests der gedruckten Biosensoren an. Projektleiter Velten: »Wir gehen davon aus, der Industrie spätestens in einem Jahr eine universelle Technologieplattform anbieten zu können.«

Externer Link: www.fraunhofer.de

technologiewerte.de – MOOCblick März 2018

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Spannende Themen, herausragende Dozenten und flexible Lernmöglichkeiten tragen zum wachsenden Erfolg der Massively Open Online Courses (MOOCs) bei – offene, internetgestützte Kurse mit einer Vielzahl an Teilnehmern rund um den Globus.

Folgender Kurs – zu finden auf der MOOC-Plattform edX – sollte einen Blick wert sein:

UML Class Diagrams for Software Engineering
Monique Snoeck (KU Leuven)
Start: 12.03.2018 / Arbeitsaufwand: 12-15 Stunden

Externer Link: www.edx.org

Die Brücke, die sich dehnen kann

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Presseaussendung der TU Wien vom 19.02.2018

Brücken verformen sich, daher baut man normalerweise Dehnfugen ein. An der TU Wien wurde eine Technik entwickelt, die ohne Fugen auskommt und dadurch viel Geld und Aufwand spart.

Wer im Auto mit flottem Tempo über eine Brücke fährt, spürt es sofort: Meist rumpelt man am Anfang und am Ende der Brücke über eine Dehnfuge, die dort eingebaut werden muss, weil sich die Brücke je nach Temperatur ausdehnt und zusammenzieht. Gerade diese Fugen sind teuer und wartungsintensiv. An der TU Wien wurde daher eine Brückenvariante entwickelt, bei der auf diese Dehnfugen verzichtet wird. Die Technik wurde von der ASFINAG beim Bau der Satzengrabenbrücke an der Nordautobahn erstmals eingesetzt. Nun hat die dehnfugenlose Brücke ihren ersten Winter überstanden. Die Messergebnisse zeigen, dass die neue Technik bestens funktioniert.

Drohende Winterschäden

„Kleinere Distanzen überbrückt man gerne mit sogenannten integralen Brücken – das sind monolithische Bauwerke, bei denen es keine getrennten Teile gibt, die sich gegeneinander verschieben könnten“, erklärt Prof. Johann Kollegger vom Institut für Tragkonstruktionen der TU Wien. Bei längeren Brücken ist das normalerweise nicht möglich, denn der Beton kann sich abhängig von der Temperatur ausdehnen oder zusammenziehen. Bei einer Brücke mit einer Länge von 100 Metern ergeben sich schon einige Zentimeter Längenunterschied zwischen Sommer und Winter, rechnet Kollegger vor – und das ist zu viel. Besonders im Winter, wenn sich der Beton zusammenzieht, können schwere Schäden in der Asphaltfahrbahn entstehen. Im Sommer ist die Gefahr geringer, weil das Material bei höheren Temperaturen formbarer wird.

Mit Dehnfugen lässt sich das Problem beheben: Die Brücke besteht dann aus mehreren Teilen, die sich in einem gewissen Ausmaß frei gegeneinander verschieben können – doch diese Dehnfugen sind ein typischer Schwachpunkt moderner Brückenbauten. Sie brauchen immer wieder Wartung, müssen manchmal ausgetauscht werden, und sind die Ursache für etwa 20 % der Brücken-Instandhaltungskosten. „Da sind allerdings die volkswirtschaftlichen Schäden noch gar nicht mitberücksichtigt, die durch Umleitungen, Staus und Verkehrsbehinderungen anfallen“, fügt Kollegger hinzu.

Wie Perlen auf der Gummischnur

Daher entwickelte man an der TU Wien eine Alternative: Statt die Verformung in einzelnen Fugen am Anfang und am Ende der Brücke aufzunehmen, verteilt man die Verformung auf einen größeren Bereich. 20 bis 30 Betonelemente werden hintereinander aufgereiht und mit Seilen aus einem speziellen Glasfaser-Werkstoff miteinander verbunden. Die Konstruktion ähnelt einer Kette von Perlen, die auf einem Gummiband aufgefädelt sind: Wenn daran gezogen wird, erhöht sich der Abstand zwischen allen Perlen gleichmäßig im selben Ausmaß. Wenn sich die Brücke im Winter verkürzt, entstehen zwischen benachbarten Betonelementen kleine Spalten – allerdings nur im Millimeterbereich, sodass diese keine Gefahr für die Asphaltfahrbahn darstellen.

Der fugenlose Fahrbahnübergang wurde von der TU Wien, mit Unterstützung durch ihre Abteilung „Forschungs- und Transfersupport“ patentiert. Maßgeblich beteiligt an der Entwicklung war auch Dr. Bernhard Eichwalder, der mehrere Jahre lang im Team von Johann Kollegger forschte und im Jahr 2017 den FSV-Preis für seine Dissertation erhielt.

Wichtig war außerdem, eine passende Asphaltmischung zu entwickeln, mit der man die Betonelemente bedecken kann. Sie muss flexibel genug sein, um die millimeterkleinen Bewegungen mitzumachen, ohne dabei rissig zu werden. Diese Aufgabe übernahm das Team von Prof. Ronald Blab vom Institut für Verkehrswissenschaften der TU Wien.

Pilotprojekt in Niederösterreich

Die Autobahnen- und Schnellstraßen-Finanzierungs-AG ASFINAG war von Beginn an am Projekt beteiligt und war somit auch der erste Bauträger, der die neuen Erkenntnisse umsetzen durfte: Als Teil der Nordautobahn A5 zwischen Schrick und Poysbrunn im Norden Niederösterreichs wurde die 112 Meter lange Satzengrabenbrücke errichtet – die nun längste integrale Brücke Österreichs.

Nachdem es sich um ein erstes Pilotprojekt handelte, entschied man sich dafür, ein umfangreiches Monitoringprogramm zu installieren. So können wertvolle Erfahrungen gesammelt werden. Nun, nachdem die kälteste Zeit des Jahres vorüber ist und die Daten ausgewertet wurden, lässt sich eine positive Bilanz ziehen: „Unsere theoretischen Berechnungen zur Aufteilung der Verformungen auf die einzelnen Betonelemente konnten durch die Messungen bestätigt werden“, berichtet Dr. Michael Kleiser, der zuständige Experte für Brückenbau bei der ASFINAG. So steht nun dem Einsatz der neuen Technik für weitere Brückenbauten nichts mehr im Weg. Das Team hofft, dass sich die neue Methode nicht nur in Österreich, sondern auch in anderen Staaten bald durchsetzt. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at