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Nano-Sensor misst Faserspannung

Simone Ulmer

Mit Hilfe von Simulationen gelang es einem Forscherteam unter Leitung von ETH-Professorin Viola Vogel ein fadenförmiges Peptid zu entwickeln, das den Spannungszustand von Gewebefasern erkennen kann. Das ebnet nun den Weg für komplett neue Forschungsgansätze in der Medizin und Pharmakologie.

Bakterien können mit Hilfe eines «Nano-Klebers» an Gewebefasern anheften. Wie sie das tun, erforschte Viola Vogel, Professorin für Angewandte Mechanobiologie, vor wenigen Jahren mit Hilfe von Computersimulationen am CSCS. Die Forscher simulierten, wie der bakterielle Nano-Kleber – ein Peptidfaden, bestückt mit mehreren aneinandergereihten Bindungsstellen – an sogenannte Fibronektinfasern anhaftet. Diese Bindegewebefasern sind in Wunden durchtrennt. Sie sind Teil des fibrösen Netzwerks, in welche die Zellen eingebettet sind.

Bakterium erkennt Spannung

Zellen ziehen fortlaufend an intakten Fibronektinfasern. Die Simulationen dieses Vorgangs zeigten, dass sobald Fibronektin durch anliegende Kräfte gestreckt wird, die Abstände zwischen den einzelnen Bindungsstellen auf Fibronektin für das bakterielle Peptid zu gross werden. Der bakterielle Nano-Kleber löste sich daraufhin grösstenteils ab. Diese Ergebnisse hatten die Forscher damals nicht erwartet. Sie deuteten aber darauf hin, dass das für ihre Simulation genutzte Bakterium Staphylococcus aureus im Laufe seiner Evolution einen Nanosensor entwickelt haben könnte, um den Spannungszustand von Fibronektinfasern zu erkennen. Um «erfolgreich» eine Wunde infizieren zu können, dürfte sich das gefürchtete Bakterium an zerschnittenen und darum entspannten Fasern anheften.
Doch über den Spannungszustand von Gewebefasern und dessen Einfluss, beispielsweise auf physiologische Prozesse bei degenerative Veränderungen im Gewebe, liegen bis anhin kaum Kenntnisse vor. Zudem fehlen geeignete Methoden, um diese von den Zellen erzeugten winzigen Kräfte auf Gewebefasern messen zu können. Viola Vogel und ihre Forschungsgruppe arbeiten deshalb an dafür geeigneten Nano-Senoren: Inspiriert durch die Simulationen entwickelten sie ein bakterielles Peptid, das die Spannungszustände von Fibronektin im Gewebe erkennen kann. Ein solches Peptid könnte für Therapie und Diagnostik genutzt werden.

Nano-Sensor in echt erfolgreich getestet

Die Forscher testeten nun das synthetisch hergestellte Peptid sowohl in Zellkulturen wie auch im Tumorgewebe von Tiermodellen erfolgreich. Demnach kann das Peptid die Zugspannung von Gewebefasern in Tumoren sichtbar machen, denn es haftete nur an Fasern an, die nicht unter Spannung standen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Communications publiziert. Um zu testen, ob das Peptid tatsächlich nur an entspannte Fasern anbindet, mischten die Forscher eine von ihnen entwickelte spezielle optische «Nano-Sonde» in das Zellkulturmedium. Diese Sonde kann nur in Zellkulturen eingesetzt werden und zeigt dort anhand von Farbänderungen den Spannungszustand der Fasern an. Zugleich markierten die Forschenden das synthetisch hergestellte Peptid mit einem Farbstoff, um erkennen zu können wo es in Zellkultur bindet. Darüber hinaus wurden Tumorgewebe mit farbig markiertem Peptid und mit Antikörpern angefärbt, die an alle Fibronektine haften. Das machte alle Fibronektinfasern im Tumor sichtbar, während das Peptid nur an die entspannten Fasern anbindet.

Das bakterielle Peptid (blau) lagert sich über mehrere Bindungsstellen hinweg an ein Fibronektin-Molekül (weiss) an. Bild: Samuel Hertig
Zellen sind umgeben von Gewebefasern, an denen sie ziehen, sie diese somit strecken und strukturell verändern. Gezeigt sind die Zellkerne (blau) und die Fibronektinfasern (grün), wobei entspannte Fibronektinfasern mit einem bakteriellen Peptid (rot) angefärbt sind. Bild: Gruppe Viola Vogel / ETH Zürich

 

Nicht alle Fasern entspannt

Die detaillierte Untersuchung des Tumors zeigte zum Erstaunen der Wissenschaftler, dass die Peptide nicht an alle Fibronektinfasern anhefteten – ein Anzeichen, dass nicht alle Fasern im Tumor unter Spannung stehen. «Warum jedoch in manchen Bereichen des Tumors entspanntes Fibronektin gehäufter vorkommt als in anderen, können wir noch nicht sagen», sagt Vogel. Um herauszufinden, ob sich der bakterielle Klebstoff auch für diagnostische Zwecke eignet, injizierten am Paul Scherrer Instituts (PSI) Forscher unter Leitung von Martin Behé und Roger Schibli im Tiermodell radioaktiv markierte Peptide. Dadurch konnten die Wissenschaftler erkennen, wo im Organismus das Peptid bindet. «Neben den gut durchbluteten Organen wie Niere, Leber und Milz sammelte sich das Peptid in erster Linie im Tumorgewebe an», sagt Viola Vogel. Dort verweilte es auch am längsten.
Die Wissenschaftler hoffen, dass sie mit den Peptiden dereinst Tumorgewebe und anderes degeneriertes Gewebe für diagnostische Zwecke markieren können. Die Peptide könnten für die Strahlentherapie oder zur Anlieferung medikamentöser Wirkstoffe an den Krankheitsherd genutzt werden, etwa indem anstelle des Bakteriums ein Wirkstoff an das Peptid anhaftet, der über die Bindungssensoren des Peptids direkt zum Zielort gelangt. Der grosse Vorteil von Peptiden ist, dass sie sehr viel kleiner als Nanopartikel und Antikörper sind. «Die fadenförmigen Moleküle können daher viel besser und tiefer in dichtes Tumorgewebe eindringen», sagt Vogel.

Einsatzmöglichkeiten prüfen

Die Resultate und der neue Forschungsansatz der Forscherin bei der Suche nach neuen Wegen in der Diagnostik und Therapie haben Aufmerksamkeit erregt: Neben einem ERC und einem kürzlich zugeteilten SNF-Grant erhielt Viola Vogel an der renommierten Charité in Berlin eine Einstein-Professur. Damit kann sie zwei Stellen finanzieren, um die neue Technik mit klinischer Forschung zu kombinieren. In Zusammenarbeit mit dem PSI will Vogel zudem prüfen, in welchen Geweben und bei welchen Krankheiten das Peptid einsetzbar ist.
Von den ersten Simulationen am CSCS sowie den Laborversuchen bis hin zum Tiermodell war es ein langer Weg, hält Viola Vogel fest. Denn Forschung basierend auf Simulationen werde von den experimentellen Wissenschaften stets kritisch beäugt. Doch dem hält die ETH-Professorin entgegen: «Wir versuchen über Simulationen unser Denken über molekulare Prozesse zu schärfen.» Die Forscherin ist überzeugt, dass die vorliegenden Erkenntnisse ohne Simulationen nicht hätten erzielt werden können. «Damit sind wir eindeutig an dem Punkt angelangt, an dem die Simulation einen Vorhersagewert hat», sagt Vogel.

 

Quelle: www.ethz.ch

Aktuell

LANXESS: Matthias L. Wolfgruber zum neuen Vorsitzenden des Aufsichtsrats gewählt

  • Wolfgruber tritt Nachfolge von Dr. Rolf Stomberg an
  • Dr. Rolf Stomberg zum Ehrenvorsitzenden des Aufsichtsrates ernannt
  • Pamela Knapp rückt in den Aufsichtsrat nach

Dr. Matthias L. Wolfgruber (64) ist neuer Aufsichtsratsvorsitzender der LANXESS AG. In seiner konstituierenden Sitzung wählte der Aufsichtsrat des Spezialchemie-Konzerns den promovierten Chemiker und ehemaligen Vorstandsvorsitzenden der Altana AG zum Nachfolger von Dr. Rolf Stomberg (78), der sein Mandat mit Ablauf der heutigen Hauptversammlung beendet hat. Wolfgruber gehört dem Kontrollgremium als Vertreter der Aktionäre bereits seit 2015 an.

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Breites Themenspektrum unter einem Dach

SECURITE LAUSANNE 2018 und FORUM SECURITE 2018

Vom 14. bis 16. November 2018 wird die SECURITE LAUSANNE zum Treffpunkt der Westschweizer Sicherheitsbranche. Ein zentraler Bestandteil der Messe ist das kostenlose FORUM SECURITE mit seinen qualitativ sehr hochstehenden Vortragsreihen.

Die Fachmesse SECURITE LAUSANNE hat ihren hohen Stellenwert für die Westschweiz mehrmals unterstrichen und geniesst die volle Anerkennung der Sicherheitsbranche in der Romandie. Bei der letzten Austragung im Jahr 2016 lockte sie rund 2300 Fachbesucher und Forum-Teilnehmer an. Auch für den November 2018 ist die Messe voll auf Kurs. Die wichtigsten Branchenverbände unterstützen die SECURITE LAUSANNE massgeblich und bereits haben sich rund 40 Aussteller angemeldet, darunter mehrere Key-Player und verschiedene Neuaussteller. So wird die SECURITE LAUSANNE 2018 wieder alle Messethemen umfassend abdecken können und ist in den Agenden der Westschweizer Sicherheitsexperten ein Pflichttermin.

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Erneute Rekordzahl an Master-Abschlüssen in Life Sciences

Dieses Jahr verzeichnet die ZHAW in Wädenswil mit 74 Master-Titeln in Life Sciences eine erneute Steigerung an Abschlüssen. 28 Frauen und 46 Männer konnten am 25. Mai 2018 ihr Diplom für das konsekutive Masterstudium entgegennehme

Das dreisemestrige Studium schliesst mit dem international anerkannten Titel «Master of Science ZFH in Life Sciences» ab. Der Titel wird ergänzt durch eine der vier möglichen Vertiefungsrichtungen: Pharmaceutical Biotechnology, Chemistry for the Life Sciences, Food and Beverage Innovation, Natural Resource Sciences. Seit letztem Jahr haben 74  Studierende erfolgreich eine Master-Thesis verfasst und dafür das Diplom erlangt. Die Festansprache an der Diplomfeier hielt Prof.em. Dr. Christian Wandrey, ehemaliger Leiter des deutschen Instituts für Biotechnologie am Forschungs­zentrum Jülich (Helmholtz Zentrum, Deutschland).

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Seminar: Messen, regeln, mischen und generieren von geringen Gasmengen

 

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7.Juni 2018

 

Sählihof, Riggenbachstrasse 8, Olten

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Veranstalter: Contrec AG

Tel 0447463220

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https://www.contrec.ch/seminar-gase-regeln

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ILMAC Lausanne

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3. und 4. Oktober, 2018
Expo Beaulieu Lausanne
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IFAS 2018

 

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23.-26. Oktober 2018
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