Lichtschranke für die Zellteilung

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Presseinformation der LMU München vom 10.07.2015

LMU-Forschern ist es gelungen, einen Wirkstoff, der die Zellteilung hemmen kann, mit Lichtreizen steuerbar zu machen. Dies ist ein vielversprechender Ansatz für zielgerichtete und nebenwirkungsfreie Tumortherapien.

Zellen höherer Organismen sind von einem ausgeklügelten System röhrenförmiger Strukturen – sogenannter Mikrotubuli – durchzogen, die als Teil des Zellskeletts an vielen lebenswichtigen Prozessen beteiligt sind. Unter anderem sind die Mikrotubuli im zellulären Spindelapparat enthalten, der bei der Zellteilung die Chromosomen auf die Tochterzellen verteilt. Wirkstoffe, die an den Mikrotubuli ansetzen, spielen daher sowohl für die Erforschung von Zellteilung und Embryonalentwicklung als auch als zellwachstum-hemmende Krebsmedikamente eine wichtige Rolle – verursachen aber oft starke Nebenwirkungen. Wissenschaftler um Professor Dirk Trauner und Dr. Oliver Thorn-Seshold vom Department Chemie der LMU haben nun einen entscheidenden Durchbruch geschafft, der zukünftig einen präziseren und schonenderen Einsatz derartiger Präparate ermöglichen soll: „Wir haben in einen bekannten Mikrotubuli-Hemmer einen lichtsensitiven molekularen Schalter eingefügt, sodass der Wirkstoff nur nach Bestrahlung mit blauem Licht aktiv ist. Dadurch kann er erstmals gezielt nur am gewünschten Ort aktiviert – und auch wieder abgeschaltet werden, da die Reaktion reversibel ist“, sagt Thorn-Seshold. Trauner ergänzt: „Damit haben wir die Photopharmakologie auf eine weiteres hochdynamisches System angewandt, das allen Vielzellern gemeinsam ist: das Zytoskelett.“

In der Medizin gehören Wirkstoffe, die an den Mikrotubuli ansetzen, zu den wirkungsvollsten Chemotherapeutika. Allerdings entfalten diese Wirkstoffe ihre zellschädigende Wirkung im ganzen Körper, weshalb sie zu schweren Nebenwirkungen führen. „Unser Ziel war, einen Mikrotubuli-Hemmer so zu optimieren, dass er nur am gewünschten Einsatzort wirkt“, sagt Thorn-Seshold. „Das haben wir erreicht, indem wir einen molekularen optischen Schalter für verschiedene chemische Abkömmlinge von Colchicin entwickelt haben“. Colchicin ist eine toxische chemische Verbindung, die aus der Herbstzeitlose stammt. Die mit optischem Schalter ausgestatteten Colchicin-Derivate bezeichnen die Wissenschaftler als Photostatine. Sie sind nur aktiv, wenn sie mit blauem Licht bestrahlt wurden, und können daher sehr präzise gesteuert werden – die Voraussetzung, um Tumorzellen gezielt und nebenwirkungsfrei zu bekämpfen.

Tumorzellen mit Licht stoppen

Im Zellversuch hat der Photoschalter seine Funktion bereits bewiesen: In mit blauem Licht bestrahlten Zellen hemmten Photostatine die Zellteilung 250-mal stärker als in Zellen, die im Dunkeln gehalten wurden. „Diese drastische licht-induzierte Aktivierung übersteigt alles, was bisher in der Photopharmakologie beobachtet wurde“, sagt Trauner. „Möglich wurde sie, weil wir den optischen Schalter mit einer neuen Methode eingebaut haben, die eine besonders große Aktivitätssteigerung erlaubt“. Die Arbeit, an der neben Kollegen der Universität Lyon an der LMU auch die Arbeitsgruppen von Professor Angelika Vollmar und Professor Stefan Zahler sowie die Gruppe von PD Markus Rehberg beteiligt waren, ist in dem führenden Wissenschaftsjournal „Cell“ veröffentlicht worden.

Als mögliches zukünftiges Einsatzgebiet für Photostatine sehen die Wissenschaftler insbesondere örtlich begrenzte Tumore, die leicht mit einer Lichtquelle erreicht werden können, etwa Retinoblastome – die häufigsten Augentumore bei Kindern – oder Hautkrebs. „Lichtquellen werden heute schon in der Medizin häufig eingesetzt, etwa für Untersuchungen im Magen-Darm-Bereich. Da die LED-Technik derzeit eine rasante Entwicklung durchmacht, können wir uns auch vorstellen, dass es in Zukunft noch kleinere und hellere LEDs geben wird, die im Körper implantiert werden, etwa wie ein Herzschrittmacher“, sagt Thorn-Seshold. „Wir hoffen, dass sie sich dabei als vielversprechender Ansatz für die Entwicklung neuer Therapien bestätigen. Allerdings ist dies ein langwieriger Prozess, die Entwicklung und Durchführung der notwendigen Studien wird noch Jahre benötigen“.

Zellentwicklung im Sekundentakt schaltbar

Bereits jetzt sind die Photostatine aber auch ein vielversprechendes Werkzeug für die Zellbiologie: Mikrotubuli spielen als Bestandteil des Zellskeletts unter anderem bei der Zellteilung, dem intrazellulären Stofftransport und der Embryonalentwicklung eine essenzielle Rolle. Mit den Photostatinen können die Mikrotubuli erstmals räumlich und zeitlich sehr präzise gesteuert und wiederholt ein- und ausgeschaltet werden – und zwar innerhalb weniger als einer Sekunde. Das schafft ganz neue Möglichkeiten, um die Funktion und räumliche Anordnung der Mikrotubuli zu erforschen. Gerade die Reversibilität der Hemmung ist in der Zellforschung ein besonderer Vorteil. „Wir konnten zum Beispiel die Entwicklung einer Zelle zu einem bestimmten Zeitpunkt anhalten und dann die Hemmung wieder ausschalten, um die Weiterentwicklung der Zelle zu beobachten. Dies könnte helfen, die Rolle bestimmter Vorläuferzellen während der Entwicklung aufzuklären“, erklärt Trauner.

Photopharmakologie ist noch ein relativ junges Forschungsgebiet, das zunehmend an Bedeutung gewinnen wird. In der Zukunft planen die Wissenschaftler, auch andere Moleküle, die an der Zellteilung und -dynamik beteiligt sind, mit Lichtschaltern auszustatten – die Mikrotubuli sind erst der Anfang. (göd)

Publikation:
Cell 2015

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Mobile Brennstoffzelle lädt Smartphones und Tablets über USB-Anschluss auf

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Pressemitteilung der Universität des Saarlandes vom 08.07.2015

„Kraftwerk“ heißt die mobile Brennstoffzelle, mit der kleine Geräte über USB wieder aufgeladen werden können. Der Wasserstoff stammt aus normalem Feuerzeuggas (Butan), das in den Tank des Geräts gefüllt wird. Wie bei einem Feuerzeug dauert das nur wenige Sekunden, die Brennstoffzelle liefert dann Strom für mehrere Tage. Die Technologie hat der promovierte Werkstoffwissenschaftler Sascha Kühn an der Universität des Saarlandes entwickelt. Bereits 2003 meldete die Universität dafür ein Patent an, die Patentverwertungsagentur unterstützte den Erfinder bei der Vermarktung. Jetzt will Sascha Kühn diese Technologie über seine Firma eZelleron in Dresden in großem Stil auf den Markt bringen.

Wie langwierig der Weg von der patentgeschützten Erfindung bis hin zum fertigen Produkt sein kann, zeigt das Beispiel der mobilen Brennstoffzelle von Sascha Kühn. Der Materialforscher hatte sich im Rahmen seiner Doktorarbeit bei Rolf Clasen, Professor für Pulvertechnologie der Saar-Uni, mit Brennstoffzellen beschäftigt. Im Januar 2003 meldete die Universität ein Patent an und bereits ein Jahr später konnte die Patentverwertungsagentur der saarländischen Hochschulen (PVA) einen Lizenzvertrag mit einer österreichischen Firma vermitteln. Bei dieser stieg Sascha Kühn als Entwicklungsleiter ein und tüftelte weiter an der mobilen Brennstoffzelle. Die Firma ging jedoch 2007 in die Insolvenz, so dass die Rechte am Patent wieder an die Universität des Saarlandes zurückfielen.

Sascha Kühn gründete 2008 die eZelleron GmbH mit Sitz in Dresden. Über die Crowdfunding-Plattform Kickstarter suchte Kühn im Januar diesen Jahres Unterstützer für sein Projekt und wurde vom eigenen Erfolg fast überrollt: Innerhalb weniger Monate waren über 1,5 Millionen US-Dollar Startkapital zusammen. Der ursprüngliche Plan war es 500.000 US-Dollar einzuwerben. Jetzt kann das Start-Unternehmen bis Ende des Jahres sein „Kraftwerk“ für die 2016 geplante Markteinführung in Position bringen.

Das Gerät soll Smartphones und mobile Endgeräte mit 5-Volt-Anschluss unterwegs ohne Strom mit Power versorgen. Das System ist mittlerweile durch 27 Patente geschützt. Bei einer erfolgreichen Vermarktung kann auch die Universität des Saarlandes durch Lizenzeinnahmen profitieren.

Externer Link: www.uni-saarland.de

Verblichene Malereien sichtbar machen

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Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.07.2015

Im Kreuzgang des Brandenburgischen Doms sind viele Details der Wand- und Deckenmalereien verblichen: Wo einmal Pferde »galoppierten«, blickt man nun auf mehr oder weniger blanken Putz. Eine Hyperspektralkamera jedoch sieht Motive, die dem menschlichen Auge verborgen bleiben. Damit ist sie Kunsthistorikern eine große Hilfe.

Der Zahn der Zeit hat den Decken- und Wandmalereien im oberen Kreuzgang des Brandenburger Doms (Brandenburg an der Havel) stark zugesetzt – vieles lässt sich mit bloßem Auge nicht mehr ausmachen. Wo ehemals Frauen mit kunstvollen Kleidern und Hauben beisammen standen, sieht man heute oftmals nur noch Fragmente. Farbreste, aus denen auch bei noch so langer Betrachtung kein Motiv zu erkennen ist. Ein ganz anderes Bild jedoch fängt eine Hyperspektralkamera mit einer Software ein, die Forscher am Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF in Magdeburg entwickelt haben: Sie schafft es, dass viele der verblichenen Malereien wieder zum Vorschein kommen.

Über 50 Farbkanäle erkennen »Unsichtbares«

Die Kamera »schaut« nicht nur das sichtbare Licht an, das die Malereien zurückwerfen – wie das Auge oder eine herkömmliche Kamera es tut – sondern auch die Wellenlängen, die jenseits dieses Bereichs im Infraroten liegen. Außerdem ist die Auflösung deutlich feiner. »Während der Mensch alle wahrgenommenen Farbtöne aus den Farben Rot, Grün und Blau zusammensetzt, verfügt die Kamera über 51 Farbkanäle«, erläutert Dr. Andreas Herzog, Wissenschaftler am IFF. »Sie kann daher Farbtöne voneinander unterscheiden, die für das menschliche Auge gleich wirken.« Dort, wo es beispielsweise nur Blau sieht, teilt das System das zurückgeworfene Licht in die minimal verschiedenen Farbtöne auf. Es erkennt somit Strukturen, die eigentlich nicht mehr zu sehen sind. Zudem lässt sich mithilfe dieser neuen Technologie feststellen, ob Bilder in mehreren Etappen gemalt oder bereits einmal restauriert wurden. Denn auch wenn die Farben für den Künstler gleich ausgesehen haben mögen: Es konnte kaum gelingen, sie gänzlich gleich zu mischen; die Kamera entdeckt die Unterschiede.

Zwar gab es auch bislang die Möglichkeit, die Kunstwerke teilweise wieder aufzuspüren: Strahlt man sie mit einer UV-Lampe an, regt man einige Substanzen in der Farbe, oft das Bindemittel, zum Fluoreszieren an. Hält man diese Fluoreszenz mit einer herkömmlichen Kamera fest, zeigen sich ebenfalls verborgene Strukturen. Das Manko: Das Verfahren ist sehr aufwändig und – das UV-Licht zieht die Gemälde in Mitleidenschaft. Nicht so bei der Hyperspektralkamera. Sie arbeitet mit einer normalen Lichtquelle, die die Kunstwerke weniger beeinflusst. Darüber hinaus lassen sich beide Verfahren kombinieren: So kann die Hyperspektralkamera auch aus dem Fluoreszenzlicht mehr herausholen. Denn sie sieht nicht nur das Licht an sich, sondern ermittelt vielmehr, wie sich die fluoreszierenden Farbstoffe zusammensetzen.

Das Kernstück der Entwicklung ist jedoch nicht die Kamera, sondern die speziell entwickelte Software. Sie erstellt aus den Daten, die bei einem Hyperspektralbild anfallen, rund hundert Bilder – auf denen zum Teil Strukturen wie gemalte Frauengestalten oder Pferde zum Vorschein kommen. Diese Bilder sehen die Kunstexperten durch und können sie interpretieren. Welche Farbmischung kommt auf dem gewählten Ausschnitt am häufigsten vor? Dies errechnet der Algorithmus mit Hilfe von Statistiken und Normierungen. Den Anteil exakt dieser Farbkomponenten stellt er in einem separaten Bild dar. In einem zweiten Bild verfährt der Software-Algorithmus ebenso mit der Farbkomponente, die am zweithäufigsten vorkommt und so weiter. Um auch großflächige Malereien auf gekrümmten Wänden in einer hohen Auflösung abzubilden, arbeiten die Forscher mit den Vermessungstechnikern der bgis Kreative Ingenieure GmbH zusammen. Deren Software fügt die einzelnen errechneten Bilder zu einem Gesamtpanorama zusammen und gibt den Kunsthistorikern des Dom-Museums und des Landesamts für Denkmalpflege Brandenburg einen Überblick über größere Bildzusammenhänge.

Erster Testlauf im Brandenburger Dom

Im Brandenburger Dom, der dieses Jahr sein 850-jähriges Jubiläum feiert, haben die Wissenschaftler des IFF ihre Technologie bereits erfolgreich getestet – im oberen Kreuzgang: Die Wandmalereien, die dort zu finden sind, wurden im 15. Jahrhundert von Hartmut Schedel detailliert beschrieben. Aber lange galten sie als verschollen. Vor einigen Jahren wurden diese kunsthistorisch bedeutenden Malereien wiederentdeckt und dann aufwändig restauriert. So gab der Kreuzgang sein Geheimnis preis. Und mit der Hyperspektralkamera Schritt für Schritt auch noch viele weitere Details.

Externer Link: www.fraunhofer.de

technologiewerte.de – MOOCblick Juli 2015

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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:

Making Biologic Medicines for Patients:
The Principles of Biopharmaceutical Manufacturing
Christopher Love (MIT)
Start: 14.07.2015 / Arbeitsaufwand: 18-30 Stunden

Externer Link: www.edx.org

Nano-Poren für bessere Radarsensoren

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Presseaussendung der TU Wien vom 06.07.2015

Nanostrukturen, in die Oberfläche geätzt: Eine neue Bearbeitungstechnik der TU Wien verbessert die elektrischen Eigenschaften von Glaskeramik-Leiterplatten.

Man nimmt entspannt den Fuß vom Gaspedal, ein Radar-Sensor erkennt den Abstand zu den anderen Autos und passt die Geschwindigkeit intelligent an. Solche Technologien sorgen heute bereits für mehr Sicherheit im Straßenverkehr, ihre Verbreitung wird noch weiter zunehmen. Aus elektrotechnischer Sicht ist die Herstellung solcher Sensoren allerdings recht schwierig: Die Sensoren sollen mit sehr hohen Frequenzen arbeiten und trotzdem präzise und effizient funktionieren. An der TU Wien wurde nun eine neue Bearbeitungstechnik entwickelt, mit der man glaskeramische Leiterplatten ganz gezielt nanostrukturieren kann. Damit lassen sich Materialeigenschaften anpassen und das elektromagnetische Verhalten des Sensors wird deutlich verbessert.

Das Material beeinflusst die Strahlung

Die Antennen eines Radarsensors haben wenig mit den langen Metallstäben gemeinsam, die aus einem Radiogerät herausragen. Sensor-Antennen werden heute sehr klein gebaut und direkt auf die Leiterplatten aufgebracht. Die Leiterplatten selbst können beispielsweise aus spezieller Glaskeramik bestehen („Low Temperature Cofired Ceramics“, LTCC), die aus verschiedenen Schichten aufgebaut ist, zwischen denen  Leiterbahnen angebracht sein können. Auf der obersten Schicht befindet sich die Patch-Antenne.

„Die Abstrahlcharakteristik einer Antenne wird stark vom darunterliegenden Material beeinflusst“, erklärt Prof. Ulrich Schmid vom Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme der TU Wien. Abhängig von den elektromagnetischen Eigenschaften der Leiterplatte kann das Material die Abstrahlung stören, es kann die ausgesendeten Wellen absorbieren und sich dabei im Extremfall so sehr aufheizen, dass Halbleiterchips in Mitleidenschaft gezogen werden. Besonders problematisch ist das im Hochfrequenzbereich: Radar-Sensoren von Autos arbeiten bei etwa 77 GHz, das hat einerseits technische Gründe, andererseits auch juristische: Dieser Frequenzbereich wurde gesetzlich für Radarsensoren im Straßenverkehr reserviert.

Um störende Materialeffekte zu verhindern hat man bereits versucht, die Glaskeramik der Leiterplatten mit organischen Materialien zu verbinden, doch das bringt wieder neue Probleme mit sich. „Übergänge zwischen unterschiedlichen Materialien sollte man eher vermeiden“, sagt Ulrich Schmid. Ganz besonders dann, wenn man es mit unterschiedlichen Materialgruppen zu tun hat, die sich bei Erwärmung unterschiedlich stark ausdehnen, sinkt die Lebensdauer des Radarsensors.

Der Trick mit den Nano-Poren

An der TU Wien suchte man daher nach einer Methode, die elektromagnetischen Eigenschaften der Leiterplatten ganz gezielt zu verändern, ohne dafür ein zusätzliches Material verwenden zu müssen. Die Glaskeramik besteht aus winzigen Körnchen, die durch Hitze „aneinandergebacken“ werden. Dabei entsteht Feldspat, der sich mit Säure wegätzen lässt – das restliche Substratmaterial bleibt übrig. Das Forschungsteam stellte fest, dass man das Glaskeramik-Material auf diese Weise mit einer komplizierten Porenstruktur im Nano-Maßstab versehen kann, wodurch sich lokal die Eigenschaften des Materials verändern.

Die Durchlässigkeit eines Materials für elektrische Felder wird als „elektrische Permittivität“ bezeichnet. „Vor der Säurebehandlung messen wir eine Permittivität von sieben bis acht – durch die Nanoporen sinkt die Permittivität um bis zu 30% – und das mit geringstem technologischem Aufwand und in konventionellen Tapesystemen, die gar nicht für diesen Ätzprozess hergestellt wurden. Das ist beachtlich“, sagt Dr. Achim Bittner. Bittner untersuchte diesen Effekt bereits vor mehreren Jahren, nun entwickelte sein Kollege Frank Steinhäußer in Zusammenarbeit mit der österreichischen Galvanik-Firma Happy Plating die Technik weiter und erzielte dabei sehr vielversprechende Ergebnisse. Die weiteren Herstellungsschritte für die Antennenplatine wurden von deutschen Partnern durchgeführt. So wurden die Glaskeramiken von der Firma MSE aus Material von der Fa. Kerafol gesintert. Die Hochfrequenzsimulationen sowie das Design der Antenne wurden an der Universität Erlangen-Nürnberg sowie von der Fa. Astyx durchgeführt.

Die neue Ätz-Technik kann man punktgenau einsetzen, sodass die Glaskeramik an unterschiedlichen Stellen unterschiedliche Eigenschaften erhält. Das kann beispielsweise bei Arrays aus mehreren Antennen sehr nützlich sein, die zusammengeschaltet werden, um eine elektromagnetische Welle in eine ganz bestimmte Richtung zu senden. Außerdem wird man die Technik in Zukunft als Diagnosemethode einsetzen, um mehr über das Verhalten des Glaskeramikmaterials zu erfahren und sie weiterhin grundlegend verbessern zu können. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at