Schnelltest identifiziert Krankheitserreger

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Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.07.2016

Bakterien, Pilze oder Viren lassen sich heute in der Regel nur mit aufwendigen Labortests oder Tierversuchen sicher nachweisen. Die Lebensmittel- und Pharmaindustrie wünscht sich schnellere Tests, um ihre Produkte zu überprüfen. Fraunhofer-Forscher entwickeln deshalb einen Stick, der wie ein Schwangerschaftstest funktioniert und schnell ein Ergebnis liefert. Künftig sollen damit auch Allergene und Krankheitserreger im Blut nachgewiesen werden.

Forscherinnen und Forscher vom Stuttgarter Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB entwickeln einen Test, der schnell und günstig Bakterien, Pilze oder Viren nachweist. Geringe Spuren wie Bestandteile ihrer Zellwände (Pyrogene) reichen für den Nachweis aus. Er lässt sich direkt vor Ort ohne Labortechnik und Spezialwissen durchführen. »Der ImmuStick kann Pyrogene bereits außerhalb des Körpers detektieren – zum Beispiel auf medizinischen Geräten oder in Krankenhauszimmern. Grundsätzlich wäre die Technologie aber auch interessant, um menschliches Blut auf Krankheitserreger oder Allergien zu testen«, sagt Dr. Anke Burger-Kentischer.

Einfach wie ein Schwangerschaftstest

Die Methode funktioniert so simpel wie ein Schwangerschaftstest: Der ImmuStick ist ein Teststreifen, auf den ein wenig Flüssigkeit geträufelt wird. Enthält die Flüssigkeit Pyrogene, Bruchstücke von Erregern, wird das durch einen Farbstreifen in einem Sichtfenster angezeigt. Auf der Oberfläche des Sticks werden zunächst Immunrezeptoren des Menschen befestigt, die für bestimmte Pyrogene empfindlich sind. Dabei handelt es sich um nach dem biologischen Vorbild synthetisierte, im Labor hergestellte Immunrezeptoren. An die Andockstelle der Immunrezeptoren, an der normalerweise die Pyrogene anbinden, wird bei der Herstellung zunächst eine Art Platzhalter montiert, der mit einem Farbstoff markiert ist. Tröpfelt man dann beim Test eine Flüssigkeit auf den Teststreifen, die Pyrogene enthält, drängen die Pyrogene an die Andockstelle am Immunrezeptor. Die mit dem Farbstoff markierten Platzhalter wandern mit der Flüssigkeit durch den Teststreifen, bis sie im Sichtfenster zu sehen sind. Das Farbsignal ist also der Hinweis darauf, dass Pyrogene enthalten sind, die sich an die Immunrezeptoren angedockt haben.

Das ImmuStick-Projekt wurde mit Geldern des Discover-Progamms gefördert. Damit unterstützt die Fraunhofer-Gesellschaft Projekte für die Dauer von einem Jahr, um die Machbarkeit einer Technologie zu zeigen. Diesen Test hat der ImmuStick bestanden. »Wir konnten zeigen, dass er für das Bakterien-Pyrogen LPS sehr gut funktioniert. Jetzt wollen wir ihn gemeinsam mit Industriepartnern zu einem Produkt weiterentwickeln«, sagt Projektleiterin Burger-Kentischer. »Derzeit testen wir weitere Immunrezeptoren, die spezifisch für andere Pyrogene sind.

Blutvergiftungen und Allergien aufspüren

Angedacht sind derzeit Anwendungen in der Lebensmittel- und Pharmabranche oder in der Medizintechnik, da es dort auf absolute Keim- beziehungsweise Pyrogenfreiheit ankommt. Grundsätzlich wäre der ImmuStick auch für die Untersuchung von Blut interessant. Pyrogene im Blut führen oft zu einer Blutvergiftung, einer Sepsis, an der auch heute noch viele Menschen sterben, insbesondere geschwächte Intensivpatienten. »Das Blut ist allerdings eine besondere Herausforderung, weil es komplex ist und viele Inhaltsstoffe enthält. Mittelfristig streben wir aber eine Blutanalyse an«, sagt Burger-Kentischer.

Da auch bestimmte Allergieauslöser zu den Pyrogenen zählen, wäre hier ebenfalls eine Anwendung denkbar. In der Lebensmittel- und Pharmaindustrie zum Beispiel ist es wichtig, dass die Produkte frei von Allergenen sind. Mit dem ImmuStick ließe sich dies in kürzester Zeit kostengünstig und einfach nachweisen. Aufwendige Labortests wären damit hinfällig oder könnten ergänzt werden. Derzeit suchen die IGB-Forscher Kooperationspartner, die den ImmuStick zur Marktreife weiterentwickeln wollen.

Pyrogene werden zum Problem, wenn es besonders auf Hygiene ankommt – zum Beispiel in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie oder auf Intensivstationen im Krankenhaus. Vor allem Menschen, deren Immunsystem geschwächt ist, können schwer erkranken. Vielfach werden deshalb Tests durchgeführt und die Oberfläche von Maschinen oder medizinischen Gegenständen durch Abstriche auf Pyrogene getestet. Diese Tests sind bislang allerdings recht aufwendig, weil sich die Pyrogene nur mit Labortechnik nachweisen lassen. Ein weit verbreiteter Standardtest ist der Nachweis von LPS, einer Struktur, die in der Membran bestimmter Bakterien auftritt. Dieser Test nimmt bislang etwa zwei Stunden in Anspruch. Andere Pyrogene lassen sich sogar nur im Tierversuch nachweisen.

Externer Link: www.fraunhofer.de

technologiewerte.de – MOOCblick Juli 2016

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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:

Distributed Machine Learning with Apache Spark
Ameet Talwalkar (University of California) et al.
Start: 11.07.2016 / Arbeitsaufwand: 20-40 Stunden

Externer Link: www.edx.org

Passauer Sensoriker entwickeln „Ernährungsbrille“

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Pressemeldung der Universität Passau vom 04.07.2016

Wer isst, der muss meist auch kauen: Diesen Zusammenhang macht sich der Lehrstuhl für Sensorik der Universität Passau in seinem aktuellen Projekt zunutze. Eine spezielle Brille analysiert die Aktivität des Temporalis-Kaumuskels und eröffnet dadurch neue Möglichkeiten, das Ernährungsverhalten zuverlässig zu erkennen und zu verbessern. Erst kürzlich hat die Forschungsgruppe ihr Projekt auf der International Conference on Wearable and Implantable Body Sensor Networks (BSN’16) in San Francisco vorgestellt und dort die Auszeichnung für die beste wissenschaftliche Arbeit erhalten.

„Die Brille misst die Muskelaktivität über Elektromyographie. Die Elektroden sind in den Rahmen der Brille integriert“, erklärt Prof. Dr. Oliver Amft, der das Projekt leitet. „Die Elektroden sind speziell auf die Temporalismuskeln ausgerichtet, die dafür sorgen, dass unser Kiefer Kaubewegungen machen und Kraft zur Zerkleinerung von Nahrung aufbringen kann.“ Das sensorische Innenleben der Brille erfasst dabei nicht nur die Kaubewegung an sich, sondern mit weiteren Sensoren auch ihre genaue Ausprägung, Dauer und Häufigkeit in zahlreichen Parametern – so genau, dass aus jedem Bissen Rückschlüsse auf die Nahrung gezogen werden können. „Kekse sind knusprig, Gummibärchen hingegen weich und elastisch: Jede Speise stellt aufgrund ihrer Beschaffenheit spezielle Anforderungen an Muskelkraft und Kaubewegung. Genau hier setzen wir an“, so Oliver Amft. „Wir arbeiten an Algorithmen, die die empfangenen Sensordaten der Kaubewegung und die Kaubewegung bestimmten Speisetypen zuordnen“, erklärt Rui Zhang, Doktorand am Lehrstuhl und Mitentwickler der Brille, weiter.

Die Entwicklung der Ernährungsbrille ist eingebettet in das Projekt „WISEglass“ am Lehrstuhl, bei dem Lösungen für verschiedene Gesundheits-Anwendungen von intelligenten Brillen im Alltag, vorwiegend im medizinischen Kontext, entwickelt werden. Noch ist die Brille aus dem 3D-Drucker ein Prototyp, der weiterentwickelt werden muss: „Insbesondere integrieren wir weitere Sensoren, um die Erkennung der Nahrungsaufnahme zu verbessern und weitere Informationen über Speisentypen und Menge zu erfassen“, sagt Rui Zhang.

Ziel der Forschungsgruppe ist es, dass die Brille in einer Vielzahl von Situationen, in denen die Analyse des Ernährungsverhaltens von Bedeutung ist, zum Einsatz kommt – in der Medizin und im Sport genauso wie im Alltag. „Voraussetzung für eine einwandfreie Orientierungshilfe in puncto Ernährung ist die lückenlose und fortlaufende Erfassung von allem, was gegessen wird. Viele Nutzer tun das ja bereits und halten fest, was sie zu sich nehmen, insbesondere mit Smartphone-Apps. Allerdings ist auch bekannt, dass diese manuellen Eingaben nicht zuverlässig dazu führen, dass wirklich alles aufgezeichnet wird – man vergisst etwas, man verschätzt sich oder lässt absichtlich etwas aus.“

Am Ende soll die Brille schließlich so intelligent sein, dass sie manuelle Methoden zur Erfassung des Ernährungsverhaltens, wie Fragebögen oder Smartphone-Apps ersetzen kann. Mithalten kann das High-Tech-Accessoire im Übrigen auch unter modischen Gesichtspunkten: Die intelligenten Brillen mit eher schlichten Rahmen sehen normalen Brillen äußerst ähnlich. „Es war uns wichtig, dass die Brillen gerade für Brillenträger keine große Umstellung bedeuten. Und sie sollen natürlich auch nicht als ungewöhnlich oder stigmatisierend wahrgenommen werden“, betont Oliver Amft. (Katrina Jordan)

Externer Link: www.uni-passau.de

Die Gleitsichtbrille im Gehirn

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Pressemitteilung der Universität Tübingen vom 10.06.2016

Sehinformationen aus dem nahen und fernen Sichtfeld werden mit unterschiedlicher Genauigkeit verarbeitet

Tübinger Neurowissenschaftler haben entdeckt, wie unser Gehirn visuelle Reize ober- und unterhalb des Horizonts unterschiedlich verarbeitet. Das Forscherteam unter Leitung von Dr. Ziad Hafed vom Werner Reichardt Centrum für Integrative Neurowissenschaften (CIN) der Universität Tübingen konnte bei nichthumanen Primaten nachweisen, dass verschiedene Teile des Sichtfeldes im Colliculus superior – einem Teil des Mittelhirns, der bei der visuellen Wahrnehmung und dem Verhalten eine zentrale Rolle spielt – asymmetrisch repräsentiert sind: Für das obere Sichtfeld steht mehr Gehirngewebe zur Verfügung als für das untere. Visuelle Reize oberhalb des Horizonts werden daher schärfer, präziser und schneller verarbeitet: Unser Gehirn trägt sozusagen eine Gleitsichtbrille.

Wenn wir sehen, nehmen wir die Welt fast ohne bewusste Absicht wahr. Wir sehen in der Mitte unseres Sichtfeldes – entlang der Blickachse – viel besser als in der Peripherie. Wenn unser Gehirn daher ein interessantes Objekt in der Peripherie wahrnimmt, löst es sofort eine Augenbewegung aus, so dass unsere Blickachse durch das Objekt verläuft. Sobald es in unserer unmittelbaren Sichtlinie ist, können wir das Objekt dann tiefenscharf wahrnehmen.

Das liegt teilweise an der extremen Dichte der Fotorezeptoren im Zentralbereich unserer Netzhaut, der Fovea. Aber die Vorliebe der visuellen Wahrnehmung für die Mitte unseres Sichtfeldes ist auch im Gehirn repräsentiert. Sie zeigt sich in jenen Hirnstrukturen, die Reize aus der Fovea verarbeiten. So ist im Colliculus superior (CS) – einer Region des Mittelhirns, die Augenbewegungen auf periphere Reize hin anregt – wesentlich mehr Hirnmasse auf die Verarbeitung fovealer Signale ausgerichtet als auf die von peripheren Signalen. Dieses Phänomen nennt man ‚foveale Vergrößerung’.

Das Team um Dr. Hafed konnte nun zeigen, dass auch andere Teile des Sichtfeldes als nur die Fovea im CS ‚vergrößert’ werden. Ihre Ergebnisse machen klar, dass das bisher verwendete Modell des CS, das nur foveale Vergrößerung kennt, nicht ausreicht. Dieses einfache Modell nimmt an, dass unser CS die Welt durch ein ‚Vergrößerungsglas’ betrachtet: Je zentraler ein Objekt in unserem visuellen Feld ist, desto spezifischer sprechen bestimmte Neuronen darauf an und desto mehr Neuronen sind darauf spezialisiert, das Signal zu verarbeiten.

Dr. Hafeds neues Modell modifiziert diese Vorstellung, indem es neben der fovealen Vergrößerung eine Vergrößerung des oberen Sichtfeldes annimmt. Sein Forscherteam fand heraus, dass die obere Hälfte des Sichtfeldes im CS durch Wahrnehmungsfelder repräsentiert wird, die wesentlich engmaschiger sind, feiner auf die Struktur empfangener Bilder abgestimmt und empfindlicher für Kontraste. Das untere Sichtfeld dagegen hat im CS eine geringere ‚Auflösung’. Die Forscher stellen sich die ‚Linse’ im CS daher eher wie eine Gleitsichtbrille vor.

Dr. Hafed meint, dass die Asymmetrie der neuralen Repräsentation an unsere normalen Umweltbedingungen angepasst ist. Weiter entfernte Objekte hinterlassen auf der Netzhaut kleinere Bilder als nahe. Um sinnvoll und schnell auf nahe Objekte reagieren zu können, benötigen wir daher keine so hohe Auflösung wie bei weit entfernten.

„In unserer dreidimensionalen Umgebung sind Objekte im unteren Sichtfeld meist nah an uns dran. Ein Beispiel wären die Anzeigen im Armaturenbrett beim Autofahren“, erklärt Hafed. „Weiter entfernte Objekte dagegen, zum Beispiel eine vor uns liegende Straßenkreuzung, befinden sich im oberen Sichtfeld. Um uns auf solche entfernteren Objekte zu konzentrieren, brauchen wir logischerweise eine höhere Auflösung im oberen Sichtbereich. Unsere Experimente liefern belastbare Hinweise, dass das alte Modell mit seiner symmetrischen Repräsentation des oberen und unteren Sichtfelds im Colliculus superior neu gedacht werden muss.“

Die Ergebnisse von Dr. Hafeds Forscherteam könnten sich für das Design der Benutzeroberfläche von Augmented Reality- (AR) und Virtual Reality (VR)-Systemen als sehr nützlich erweisen. Diese Systeme verfügen über große Displays, die fast das gesamte visuelle Feld abdecken. Das bietet viele Freiheitsgrade, wo essenzielle visuelle Informationen platziert werden. Es ist derzeit eine der großen technischen Herausforderungen, diese Platzierung für Menschen zu optimieren. Da die ‚Gleitsichtbrille’ im CS schnellere und präzisere Augenbewegungen im oberen Sichtfeld ermöglicht, könnten wichtige Informationen, die eine schnelle Verarbeitung erfordern, in AR und VR entsprechend angesiedelt werden.

Publikation:
Ziad M. Hafed, Chih-Yang Chen: Sharper, Stronger, Faster Upper Visual Field Representation in Primate Superior Colliculus. Current Biology (im Druck).

Externer Link: www.uni-tuebingen.de