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Entscheidender Faktor für die Stabilität der Blutkapillaren im Gehirn identifiziert
Pressemitteilung der Universität Tübingen vom 28.07.2015
Wissenschaftler der Universität Tübingen untersuchen molekulare Steuerung der Gefäßentwicklung bei Mäusen – Ursachenforschung für Schlaganfall beim Menschen
Das Gehirn hat einen hohen Sauerstoffbedarf, sein Gewebe wird daher bis in jeden kleinsten Winkel von haarfeinen Blutgefäßen durchzogen. Sind diese Kapillaren zum Beispiel durch Bluthochdruck oder hohes Lebensalter geschädigt, sprechen Mediziner von der Kleingefäßerkrankung des Gehirns. Diese ist nach Einschätzung von Medizinern Ursache von etwa einem Fünftel der Schlaganfälle und kann bestimmte Formen der Demenz zur Folge haben. Wie die Entwicklung und Instandhaltung der Kapillaren im Gehirn auf molekularer Ebene gesteuert wird, haben Dr. Christine Weinl und Professor Alfred Nordheim vom Interfakultären Institut für Zellbiologie der Universität Tübingen und Salvador Castaneda und Professor Bernd Pichler vom Tübinger Werner Siemens Imaging Center analysiert. Die Studie ist eine internationale Zusammenarbeit von Wissenschaftlern aus Deutschland, Frankreich und den USA. Die Forscher haben bei Untersuchungen an gentechnisch veränderten Mäusen festgestellt, dass der in vielen anderen zellulären Prozessen wichtige „Serum Response Faktor“ mehrere Gene steuert, die für die Stabilität und Schrankenfunktion der kleinen Gefäße entscheidend sind. Die Ergebnisse geben wichtige Hinweise auch für die Schlaganfallforschung am Menschen. Die Studie wird in der Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences (USA) veröffentlicht.
Die feinen Gefäße im Gehirn werden von den sogenannten Endothelzellen gebildet, die durch mehrere Kontaktstrukturen eng miteinander verbunden sind. Diese Kontakte zwischen den Endothelzellen verleihen den Kapillaren eine hohe mechanische Stabilität und erlauben den Zellen darüber hinaus, den Stoffaustausch zwischen dem Blut und dem Hirngewebe spezifisch und genau zu kontrollieren. Sie bilden die sogenannte Blut-Hirn-Schranke, die das empfindliche Hirngewebe besonders vor Schadstoffen schützt.
Das Wissenschaftlerteam untersuchte gentechnisch veränderte Mäuse, bei denen in den Endothelzellen der „Serum Response Faktor“ künstlich entfernt wurde. Bei diesen Mäusen war die Blut-Hirn-Schranke nicht voll funktionsfähig, und im Gehirn traten vermehrt Blutungen auf – die Tiere entwickelten das Krankheitsbild der Kleingefäßerkrankung des Gehirns. Sowohl bei neugeborenen als auch bei erwachsenen Mäusen löste ein Mangel an „Serum Response Faktor“ Gehirnblutungen aus.
Über bildgebende Verfahren der Magnetresonanztomografie (MRT) ließen sich die entstehenden Schäden im Gehirn genauer lokalisieren und im zeitlichen Ablauf erfassen. Auf molekularer Ebene zeigte sich, dass der „Serum Response Faktor“ Einfluss auf mehrere Gene nimmt, die zur Entwicklung und Stabilität der kleinen Gefäße aktiv sein müssen. Bei Mangel an „Serum Response Faktor“ verloren die dichten Zellverbindungen der kleinen Gefäße ihre Funktionalität und erlaubten den Austritt von Blut aus den Gefäßen. Die Wissenschaftler machten somit den „Serum Response Faktor“ als Hauptregulator des Aufbaus und der Aufrechterhaltung der Blut-Hirn-Schranke dingfest. Sie entwickeln die Hypothese, dass eine veränderte Aktivität des Faktors und seiner Zielgene auch beim Menschen zum Entstehen der Kleingefäßkrankheit des Gehirns und bestimmter Formen des Schlaganfalls beitragen könnte.
Originalveröffentlichung:
Christine Weinl, Salvador Castaneda Vega, Heidemarie Riehle, Christine Stritt, Carsten Calaminus, Hartwig Wolburg, Susanne Mauel, Angele Breithaupt, Achim D. Gruber, Bohdan Wasylyk, Eric N. Olson, Ralf H. Adams, Bernd J. Pichler, and Alfred Nordheim: Endothelial depletion of murine SRF/MRTF provokes intracerebral hemorrhagic stroke. PNAS, Veröffentlichung in der Woche vom 27. bis 31. Juli 2015, DOI: 10.1073/pnas.1509047112
Externer Link: www.uni-tuebingen.de
Einblicke in Abgaskatalysatoren
Presseinformation des KIT (Karlsruher Institut für Technologie) vom 16.07.2015
Röntgentechniken erschließen Wechselwirkungen der aktiven Metalle mit den Gasmolekülen – Publikation in Chemical Communications
Wie funktionieren Abgaskatalysatoren? Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben die Reaktionen unter wirklichkeitsnahen Bedingungen untersucht: Mithilfe von Röntgenstrahlung beobachteten sie die Wechselwirkungen des Schadstoffmoleküls Stickstoffmonoxid und des Reduktionsmittels Ammoniak mit den Eisen- und Kupferzentren – den Übergangsmetallionen, an denen die Reaktion stattfindet – der Katalysatoren Fe-ZSM-5 und Cu-SSZ-13. Ihre Ergebnisse können dazu beitragen, die Abgasnachbehandlung weiter zu verbessern. In der Zeitschrift Chemical Communications stellen die Forscher ihren Ansatz vor. (DOI: 10.1039/C5CC01758K)
Moderne Katalysatoren zur Abgasnachbehandlung in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor haben erheblich dazu beigetragen, Schadstoffemissionen zu reduzieren. Durch Oxidation beziehungsweise Reduktion – Abgabe bzw. Aufnahme von Elektronen – wandeln Abgaskatalysatoren Verbrennungsschadstoffe wie Kohlenwasserstoffe, Kohlenstoffmonoxid und Stickoxide in die Stoffe Kohlenstoffdioxid, Wasser und Stickstoff um. Immer striktere Vorgaben des Gesetzgebers verlangen, den Kraftstoffverbrauch zu verringern und den Ausstoß von Stickoxiden weiter zu senken. Durch Zugabe des Reduktionsmittels Ammoniak, das zum Beispiel durch Zersetzung der hochreinen Harnstofflösung AdBlue® im Fahrzeug gebildet wird, lassen sich die Stickoxide am Katalysator zu unschädlichem Stickstoff und Wasserdampf umsetzen. Die Harnstofflösung wird dazu vor dem Katalysator in den Abgasstrang eingespritzt.
Um Katalysatoren zu verbessern, ist es erforderlich, ihre Funktion und die einzelnen Reaktionsschritte genau zu verstehen. „Verlässliche Erkenntnisse über die ablaufenden Reaktionen lassen sich nur unter realitätsnahen Reaktionsbedingungen gewinnen“, erklärt Professor Jan-Dierk Grunwaldt, Inhaber des Lehrstuhls Chemische Technik und Katalyse am KIT. „Das heißt, wir müssen den Katalysatoren bei der Arbeit zuschauen. Dazu bieten Synchrotronstrahlungsquellen hervorragende Möglichkeiten.“ Synchrotronstrahlung ist Röntgenstrahlung mit einer Energie von einigen bis zu Hunderten oder sogar einer Million Elektronenvolt. Mit ihr lassen sich die Eigenschaften der aktiven Metallzentren im Katalysator und deren Wechselwirkungen mit den Gasmolekülen beobachten. Dabei bieten sich zwei Methoden an: Die Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) erlaubt es, den Oxidationszustand und die Koordinationszahl, das heißt die Zahl der nächsten Nachbarn eines Atoms, zu ermitteln. Die Röntgenemissionsspektroskopie (XES) ermöglicht neuerdings zusätzlich, zwischen den adsorbierten – am Katalysator angelagerten Stoffen – zu unterscheiden. So lässt sich erschließen, welche Moleküle zur Reduktion führen, wann eine konkurrierende Adsorption stattfindet, das heißt, wann mehrere Stoffe um die Anlagerung am Katalysator konkurrieren, und wie einzelne Moleküle am Metallatom koordinieren.
Eine Forschungsgruppe um Professor Jan-Dierk Grunwaldt zusammen mit Professor Christoph R. Jacob, der kürzlich vom KIT an die TU Braunschweig berufen wurde, und Dr. Pieter Glatzel von der European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble/Frankreich hat nun erstmals beide Methoden kombiniert, um die Reaktionen an zwei bereits in Fahrzeugen eingesetzten katalytisch aktiven Materialien unter realitätsnahen Bedingungen zu untersuchen. Dabei handelt es sich um die Materialien Fe-ZSM-5 und Cu-SSZ-13. Beide Materialien basieren auf Zeolithen, das sind besondere Mineralien mit poröser Gerüststruktur. Die Ergebnisse ihrer Untersuchungen stellen die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Chemical Communications vor.
Mithilfe der Röntgentechniken untersuchten und verglichen die Forscher die Wechselwirkung des Schadstoffmoleküls Stickstoffmonoxid und des Reduktionsmittels Ammoniak mit den Eisen- und Kupferzentren. „Obwohl in Summe die gleiche Reaktion abläuft, haben wir für die zwei Katalysatoren unterschiedliche Reaktionswege beobachtet“, berichtet Tobias Günter, Doktorand am Lehrstuhl Chemische Technik und Katalyse des KIT. Für die Reaktion am Fe-ZSM-5-Katalysator wiesen die Wissenschaftler eine Adsorption des Stickstoffmonoxids über ein positiv geladenes Sauerstoffatom nach. Am Cu-SSZ-13-Katalysator hingegen zeigte sich dieses Verhalten nicht. Da außerdem keine direkte Koordination über das Stickstoffatom stattfand, gehen die Forscher von einer Reaktion aus der Gasphase mit einer möglichen Aktivierung am Ammoniakmolekül aus. „Dies kann auch erklären, warum Ammoniak die Reaktion am Fe-ZSM-5-Katalysator hemmte, was am Cu-SSZ-13-Katalysator nicht festzustellen war“, erläutert Tobias Günter.
Die Erkenntnisse der Forscher um Jan-Dierk Grunwaldt liefern wertvolle Informationen für Modelle, um das Verhalten der Katalysatoren im Betrieb besser vorhersagen zu können. „Unser Ansatz mit den zwei röntgenbasierten Methoden eignet sich nicht nur für die genannten Materialien, sondern lässt sich auf viele weitere Materialien und Reaktionen übertragen“, sagt Professor Grunwaldt. In Zukunft kann dieser Ansatz die weitere Entwicklung und Verbesserung von Abgaskatalysatoren wesentlich voranbringen. (or)
Publikation:
Tobias Günter, Hudson W. P. Carvalho, Dmitry E. Doronkin, Thomas Sheppard, Pieter Glatzel, Andrew J. Atkins, Julian Rudolph, Christoph R. Jacob, Maria Casapua and Jan-Dierk Grunwaldt: Structural snapshots of the SCR reaction mechanism on Cu-SSZ-13. Chemical Communications, 2015, 51, 9227-9230. DOI: 10.1039/C5CC01758K.
Externer Link: www.kit.edu
Mit Behinderung arbeiten: Universität Passau entwickelt neues Assistenzsystem
Pressemeldung der Universität Passau vom 21.07.2015
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Passau beteiligen sich an der Entwicklung eines Assistenzsystems, das die emotionale Verfassung von Menschen mit Behinderung erkennen und ihnen helfen kann, trotz ihrer Behinderung einer Arbeit nachzugehen. Das Projekt „Emotionssensitives Assistenzsystem zur Unterstützung von Menschen mit Einschränkungen: EmotAsS (Emotionsensitive Assistance System)“ wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert.
Um Menschen mit Behinderung eine berufliche Perspektive zu geben, gibt es speziell ausgestattete Werkstätten für behinderte Menschen, die dazu dienen, sie in das Arbeitsleben einzugliedern und ihnen somit ermöglichen, ein selbstbestimmtes Leben zu führen. In den meisten Fällen ist eine Eingliederung nicht möglich, so dass diese Personengruppe ihren Fähigkeiten entsprechend in den Werkstätten beschäftigt wird. Insbesondere bei Menschen mit Erkrankungen oder Behinderungen, die in speziell ausgestatteten Werkstätten arbeiten, haben die emotionalen Schwankungen eine große Auswirkung auf ihre Konzentrationsfähigkeit und weitere kognitive Prozesse. Emotionen und deren zuverlässige Erkennung in der gesprochenen Sprache sind für die erfolgreiche Mensch-Maschine-Interaktion von großer Bedeutung.
Innerhalb dieses Projektes soll ein Assistenzsystem entwickelt werden, welches sicher die Erkennung der Emotionen der Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern mit Behinderungen einsetzt, um ihren Arbeitsprozess in individuell handhabbare, kleine Arbeitsschritte aufzuteilen und entsprechend des Kontextes und der emotional-kognitiven Verfassung adaptiert. Die Erkenntnisse sollen auf ein weiteres Anwendungsgebiet übertragen und in der Kommunikation mit Demenzerkrankten erprobt werden.
Beteiligt sind neben dem Lehrstuhl für Complex und Intelligent Systems der Universität Passau, die Universität Bremen, die vacances Mobiler Sozial- und Pflegedienst GmbH, der Martinshof (Werkstatt Bremen), die Meier & Schütte GmbH und Co. KG, die REHAVISTA GmbH sowie die EGS Vertriebs GmbH.
Die Projektpartner arbeiten kontinuierlich mit der Zielgruppe zusammen und beteiligen sie an der Entwicklung. Bestandteil des Projektes sind unter anderem fortlaufende Tests, sowohl bei der Gestaltung als auch bei der Nutzung des Systems im Arbeitsprozess. (Katrina Jordan)
Externer Link: www.uni-passau.de
In zwei Dimensionen leuchten Elektronen schneller
Pressemitteilung der Universität Regensburg vom 13.07.2015
Forscher weisen erstaunliches Verhalten einzelner Atomlagen nach
Physiker der Universitäten Regensburg und Münster konnten erstmals beobachten, wie sich Elektronen in einer ultradünnen Festkörperschicht zu atomähnlichen Teilchen binden und dabei Licht in Rekordgeschwindigkeit emittieren. Die Ergebnisse wurden jetzt in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Materials“ veröffentlicht (DOI 10.1038/nmat4356).
Seit kurzem kann die Wissenschaft Materialien herstellen, die aus einer einzigen Atomlage bestehen. Neben Graphen – einer Monolage aus Graphit – funktioniert dies inzwischen auch mit sogenannten Übergangsmetall-Dichalkogeniden wie Wolframdiselenid. In Monolagen können sich Elektronen nur zweidimensional in der Ebene bewegen. Das verleiht den ultradünnen Materialien einzigartige Eigenschaften, die künftig die Elektronik und Optoelektronik revolutionieren könnten. Wird bspw. ein Photon in einer Monolage von Wolframdiselenid absorbiert, so kann es ein Exziton – ein gebundenes Elektron-Loch-Paar – erzeugen. Dabei umkreist ein negativ geladenes Elektron ein positiv geladenes Loch, ähnlich wie ein Elektron im Wasserstoffatom den Kern umkreist. Theoretisch wurde vorhergesagt, dass Exzitonen in einer Monolage wegen der starken Bindung zwischen Elektronen und Löchern auch bei Raumtemperatur existieren und daher alle optischen Eigenschaften dominieren sollten – denn nur sie emittieren Licht in einer Monolage. Für die Entwicklung von Bauelementen wie Solarzellen oder lichtemittierenden Dioden ist es daher wichtig, die Eigenschaften von Exzitonen besser zu verstehen.
Ein Team um Prof. Dr. Rupert Huber, PD Dr. Tobias Korn und Prof. Dr. Christian Schüller vom Institut für Experimentelle und Angewandte Physik der Universität Regensburg konnte nun in Kooperation mit Prof. Dr. Rudolf Bratschitsch von der Universität Münster Licht ins Dunkel bringen. Im Rahmen eines Experiments regten die Forscher eine Monolage von Wolframdiselenid zunächst mit einem sichtbaren Lichtblitz an, so dass Exzitonen entstanden. Um diese direkt nachzuweisen, beleuchteten die Physiker die Exzitonen mit ultrakurzen infraroten Lichtimpulsen, die interne Anregungen in den Exzitonen auslösten. Durch Aneinanderfügen mehrerer Momentaufnahmen entstand schließlich ein Zeitlupenfilm mit der unvorstellbar hohen Zeitauflösung von wenigen Femtosekunden. Eine Femtosekunde ist der millionste Teil einer Milliardstel Sekunde. Dies ist gerade schnell genug, um die Entstehung, Struktur, Dichte und Wechselwirkung der Exzitonen untereinander scharf aufzulösen.
Die Messdaten der Forscher förderten weitere Überraschungen zutage: Sie zeigten, dass bestimmte Exzitonen überraschend effizient zerstrahlen. Dabei stürzt das Elektron in das Loch, das es umkreist, und gibt seine Energie als Lichtquant (Photon) ab. In atomar dünnem Wolframdiselenid läuft dieser Prozess tausend Mal schneller ab als in gewöhnlichen dreidimensionalen Festkörpern. Die Untersuchungen der Forscher aus Regensburg und Münster bieten deshalb spannende Perspektiven für die Entwicklung neuer Lichtquellen auf Basis der denkbar dünnsten Materialien. (Alexander Schlaak)
Titel der Originalpublikation:
C. Pöllmann, P. Steinleitner, U. Leierseder, P. Nagler, G. Plechinger, M. Porer, R. Bratschitsch, C. Schüller, T. Korn and R. Huber, „Resonant internal quantum transitions and femtosecond radiative decay of excitons in monolayer WSe2“, in Nature Materials (published online) (2015)
Externer Link: www.uni-regensburg.de