Neues 3D-Modell der menschlichen Plazentaschranke

Céline Elber

Einem Empa-Team ist es gelungen, ein neues dreidimensionales Zellmodell der menschlichen Plazentaschranke zu entwickeln. Das «Modellorgan» liefert schnell und zuverlässig neue Erkenntnisse zur Aufnahme von Substanzen wie Nanopartikel über die Plazentaschranke und zu möglichen toxischen Effekten auf das ungeborene Kind. Dieses Wissen kann künftig auch zur Entwicklung neuer Therapieansätze während der Schwangerschaft eingesetzt werden.

Der sich entwickelnde Fötus ist äusserst anfällig auf giftige Stoffe. Schon kleinste Dosen können gravierende Schäden anrichten. Das ungeborene Kind davor zu schützen, ist eine der Aufgaben der Plazenta, eine Barriere, die Giftstoffe «herausfiltert», den Fötus gleichzeitig aber mit den notwendigen Nährstoffen versorgt. Es gibt allerdings in den letzten Jahren immer mehr Belege dafür, dass die Plazentaschranke nicht 100%-ig dicht ist und dass gewisse Nanopartikel die Barriere überwinden können.
Nanopartikel halten in immer mehr Lebensbereiche Einzug. Sie schützen in Sonnencrème vor Sonnenbrand, sorgen dafür, dass Streuwürze nicht verklumpt, machen Regenjacken wasserdicht und sollen künftig Medikamente an den richtigen Ort im Körper transportieren. «Schwangere sind zwar im Moment noch keinen problematischen Mengen an Nanopartikel ausgesetzt, in der Zukunft wäre das aufgrund der immer weiteren Verbreitung der winzigen Teilchen aber durchaus denkbar», meint Tina Bürki aus der Abteilung «Particles-Biology Interactions».
Um eine sichere Entwicklung von Nanopartikeln in verschiedensten Anwendungsbereichen zu ermöglichen, müssen die Aufnahmemechanismen von Nanopartikeln an der Plazentaschranke sowie deren Auswirkungen auf Mutter, Plazenta und Fötus genauer erforscht werden. Grösse, Ladung, chemische Zusammensetzung und Form der Nanopartikel könnten zum Beispiel einen Einfluss darauf haben, ob sie die Plazentaschranke durchdringen können und welche Wege sie dabei nehmen. Diese Forschung steckt allerdings derzeit noch in den Kinderschuhen. Da die Funktion und Struktur der menschlichen Plazenta einzigartig ist, sind Studien an schwangeren Säugetieren problematisch und wenig aussagekräftig. Bisherige Modelle der menschlichen Plazentaschranke sind entweder sehr zeitaufwändig oder stark vereinfacht.

Antikörper gegen krebserregenden Stoff entschlüsselt

Sommer ist Grillzeit. Allerdings entsteht bei der Reaktion von Fett mit glühender Kohle ein Stoff, den Chemiker Benzopyren nennen. Ein Umweltgift, das beim Menschen Krebs auslösen kann. Da über viele Jahrzehnte Häuser mit Kohle oder Holz beheizt wurden, ist es über den Schornsteinrauch in Böden und im Grundwasser eingelagert. Ein Team um Prof. Arne Skerra von der Technischen Universität München (TUM) hat den Bindungsmechanismus eines Antikörpers an Benzo[a]pyren entschlüsselt. Eine Entdeckung, die den Weg frei machen könnte für den einfacheren Nachweis und damit das Entfernen des Giftstoffes.

Beim unvollständigen Verbrennen von organischen Stoffen entstehen polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK). Bekanntester Vertreter dieser Gruppe ist das Benzpyren oder Benzo[a]pyren (BaP) wegen seiner hohen Toxizität und relativ guten Nachweisbarkeit. Daher wird es als Marker für das Vorkommen von PAK allgemein benutzt. Die Stoffklasse der PAK wird in unserem Körper zu Molekülen umgebaut, die Änderungen am Erbgut (Mutationen) hervorrufen können, welche sich im schlimmsten Falle zu Tumoren weiterentwickeln. Deshalb gelten die PAK als Schadstoffe oder Umweltgifte.

Zeolith-Katalysatoren ebnen den Weg für dezentrale chemische Prozesse

Sprit aus Abfall? Ist machbar. Doch Biomüll in Treibstoffe umzuwandeln, ist bisher kaum konkurrenzfähig. Zu hohe Temperaturen und zu viel Energie sind nötig. Mit einem neuen Katalysatorkonzept ist es Forscherinnen und Forschern der Technischen Universität München (TUM) jetzt gelungen, Temperatur und Energiebedarf eines wichtigen Schrittes im chemischen Prozess entscheidend zu senken. Der Trick: Die Reaktion findet auf engstem Raum, im Inneren von Zeolith-Kristallen statt.

Immer mehr Strom wird dezentral erzeugt – durch Windräder, Wasserkraft und Solaranlagen. «Da liegt es nahe, auch die Chemieproduktion zu dezentralisieren», meint Prof. Johannes Lercher, der an der TU München den Lehrstuhl für Technische Chemie II leitet. «Theoretisch könnte jede Gemeinde ihren eigenen Sprit oder ihren eigenen Dünger herstellen.»
Bisher ist dies nicht möglich, weil chemische Prozesse viel Energie benötigen – mehr als die regenerativen Energiequellen vor Ort liefern. «Wir haben uns daher das Ziel gesetzt, durch neue Prozesse die Voraussetzungen für eine dezentrale chemische Produktion zu schaffen, die durch alternative Energiequellen gespeist werden kann», erklärt der Chemiker, der in Personalunion Direktor des amerikanischen Institute for Integrated Catalysis an Pacific Northwest National Laboratory ist.
Eine Grundlage für die Wende in der chemischen Produktion hat sein Team jetzt geschaffen: Im Labor konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zeigen, dass sich mit Hilfe von Zeolith-Kristallen in wässriger Lösung die zur Spaltung von Kohlenstoff-Sauerstoff Bindungen notwendige Temperatur drastisch senken lässt. Zeolith-Katalysatoren beschleunigen den Prozess darüber hinaus erheblich.

Je mehr Tumorzellen sich im Blut auf Wanderschaft befinden, desto größer die Gefahr einer Metastasenbildung. Im Blut zirkulierende Tumorzellen sind ein wichtiger Indikator dafür, ob und wie eine Therapie wirkt. Fraunhofer-Forscher haben jetzt einen Mikrolochchip entwickelt, der eine zuverlässige Identifizierung und Charakterisierung der Zellen ermöglicht – und das innerhalb von nur wenigen Minuten.

Mit dem herkömmlichen Analyseverfahren FACS (fluorescence-activated cell sorting) lässt sich die Anzahl der im Blut zirkulierenden Tumorzellen nur grob bestimmen. «Bei FACS werden die Zellen farblich markiert, sortiert und in verschiedenen Behältern gesammelt», erklärt Dr. Thomas Velten, dessen Team den neuen Mikrolochchip am Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT entwickelt hat. Das Problem: Die Anzahl der Farben für die Markierung ist begrenzt. «Irgendwann überlappen sie sich und man kann sie nicht mehr voneinander unterscheiden. Außerdem gibt es nicht für alle Tumorzellen gute Marker, daher werden sie mit FACS nicht erfasst.» Weiterhin lässt sich beim FACS ein Messergebnis nicht eindeutig einer bestimmten Zelle zuordnen, da der Auffangbehälter Tausende von Zellen enthält.