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Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen «Nano-Mais» und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen.
Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse überwinden, die der Körper zu seinem Schutz gegen Viren, Bakterien oder Partikel wie Dieselruss aufgebaut hat – etwa den Schleim der Atemwege. Damit die Arznei dort nicht steckenbleibt, haben Professor Marc Schneider und sein Team ein Transportsystem entwickelt, das einen Wirkstoff zuverlässig in die Lungenzellen schleust. «Stäbchenförmige Partikel sind lungengängig, werden also in die Lunge aufgenommen.
Ausserdem bieten sie ein grosses Volumen für die Ladung, die transportiert werden soll. Daher wollten wir ein Transportsystem mit dieser Form entwickeln», erklärt der Professor für Biopharmazie und Pharmazeutische Technologie an der Saar-Universität.

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Magnetic Particle Imaging: Weltrekord an Genauigkeit

Höchste Präzision mit Nanopartikeln als Kontrastmittel

Dreidimensionale Echtzeit-Bilder für die medizinische Diagnostik mit Hilfe winzigster Magnete.

Am Institut für Medizintechnik der Universität zu Lübeck wird ein neuartiges bildgebendes Verfahren für die Medizin erforscht, welches in Zukunft die Radiologie revolutionieren könnte. Gerade wurde ein neuer Weltrekord bei der Abbildung winzigster Mengen an Kontrastmittel aufgestellt. Die Wissenschaftler berichten darüber in einer Fachveröffentlichung, die am 31. Juli 2017 in der renommierten Wissenschaftszeitschrift «Nature Scientific Reports» erschienen ist. Das seit 2007 am Institut für Medizintechnik erforschte Bildgebungsverfahren Magnetic Particle Imaging (MPI) nutzt die einzigartigen magnetischen Eigenschaften von gerade einmal 0,00001 Millimeter grossen Eisenoxidteilchen, um dreidimensionale Bilder aus lebenden Organismen zu erzeugen. Die winzigen Magnete, die etwa 50mal kleiner sind als die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes, werden dazu mit unbedenklichen Magnetfeldern angeregt. Unter geeigneter Anregung geben die Partikel charakteristische elektromagnetische Signale ab, aus denen dreidimensionale Bilder berechnet werden können. Die Methode sticht besonders durch ihre Echtzeitfähigkeit heraus und ist dabei nicht auf gesundheitsschädliche radioaktive Strahlung angewiesen.

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Grenzen austesten zum Wohle der Patienten

Sabine Goldhahn

Strahlentherapie mit Protonen ist ein Erfolgsmodell am Paul Scherrer Institut PSI. Schon seit mehreren Jahrzehnten behandeln Ärzte hier auf schonende Weise Patienten mit Augentumoren oder mit Krebs, der tief im Inneren des Körpers liegt. Dafür haben die Forschenden am Zentrum für Protonentherapie ZPT zahlreiche Geräte, Sicherheitssysteme und Software aufwendig selbst entwickelt. Mit einer eigenen, am PSI erarbeiteten Bestrahlungsmethode haben sie sogar weltweit die Protonentherapie nachhaltig verändert. Trotz dieser Erfolge verfeinern die Forschenden am ZPT diese Strahlentherapie unermüdlich weiter – damit die Behandlung künftig noch präziser und schneller wird.

Antony Lomax wollte nur zwei Jahre bleiben, intensiv forschen und dann wieder gehen. Zurück nach Manchester, in seine Heimat. Doch Protonen üben eine ganz eigene Faszination aus. Besonders auf Medizinphysiker wie ihn: «Ein Proton ist etwa 1800-mal schwerer als ein Elektron, das ist so, als ob man ein Fahrrad mit einem Panzer vergleicht. Und diese schweren Teilchen müssen wir für die Protonenbestrahlung beschleunigen und millimetergenau in ihr Ziel bringen. Protonen sind eine Herausforderung für Forscher.» Genau wie Patienten. «Jeder Patient und jeder Tumor ist unterschiedlich, und so gibt es keine einzige Standardbehandlung für alle. Gerade das macht meinen Beruf so interessant», schwärmt Lomax. Deshalb arbeitet der Forscher noch immer am Zentrum für Protonentherapie ZPT am Paul Scherrer Institut PSI. Seit nunmehr 25 Jahren.
Dabei könnten sich Wissenschaftler wie Lomax zurücklehnen. Sie könnten durchatmen und stolz sein auf das, was sie in vielen Jahren Entwicklungsarbeit geschaffen haben. Drei Behandlungsplätze stehen am ZPT für Krebspatienten zur Verfügung. Ein vierter wird gerade fertiggestellt. Die sogenannte Spot-Scanning-Methode – ein besonders genaues und schonendes Verfahren der Bestrahlung – wurde vor zwanzig Jahren hier am PSI entwickelt. Heute nutzen sie Ärzte weltweit zur Behandlung von Krebs. Eine eigens am PSI entwickelte Software erleichtert die genaue Planung und Durchführung jeder einzelnen Bestrahlung. Hinzu kommen umfassende Sicherheitssysteme und Qualitätskontrollen, die einen reibungslosen Ablauf und höchste Sicherheitsstandards garantieren. So wurden bereits 8000 Patienten erfolgreich behandelt. Genügend Gründe also, sich mit dem Erreichten zufrieden zu geben?

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Ein schwebendes Nanokügelchen als ultra-empfindlicher Sensor

Empfindliche Sensoren müssen weitgehend von Umwelteinflüssen abgeschirmt sein. Forschende an der ETH Zürich haben nun gezeigt, wie man elektrische Ladung von einem Nanokügelchen, mit dem kleinste Kräfte gemessen werden können, entfernt und ihm hinzufügt.

Oliver Morsch

Ein winziges Kügelchen und ein Laserstrahl, in dem es wie von Zauberhand gehalten schwebt – mit diesen einfachen Mitteln haben Martin Frimmer und seine Mitarbeitenden am Photonics Laboratory der ETH Zürich einen hochempfindlichen Sensor entwickelt. Das Gerät soll in Zukunft unter anderem extrem schwache Kräfte oder kleinste elektrische Felder präzise messen. Auf dem Weg dorthin sind die Forscher nun einen grossen Schritt weitergekommen, wie sie in einem kürzlich erschienenen Fachartikel schreiben.

Nanokügelchen im Laserstrahl
Das Grundprinzip eines Sensors erklärt Martin Frimmer, Postdoc in der Arbeitsgruppe von ETH-Professor Lukas Novotny, sehr einleuchtend: «Zunächst muss ich wissen, wie das Objekt, das als Sensor fungiert, mit seiner Umwelt in Kontakt steht. Wenn dann über diese Einflüsse hinaus etwas mit ihm passiert, dann weiss ich: Aha, da ist eine Kraft am Werk.»
In der Praxis bedeutet dies meistens, dass man die Wechselwirkungen mit der Umgebung möglichst gering halten will, um die Empfindlichkeit des Sensors auf die zu messenden Kräfte zu maximieren. Genau dies erreichten die Wissenschaftler, indem sie ein kugelförmiges Nanopartikel aus Siliziumdioxid, dessen Durchmesser etwa hundert Mal kleiner ist als ein menschliches Haar, mit Hilfe eines gebündelten Laserstrahls einfangen. Dieser bildet eine so genannte «optische Pinzette», in der das Nanokügelchen durch Lichtkräfte im Brennpunkt des Strahls festgehalten wird. Wirkt nun eine weitere Kraft auf das Kügelchen, so wird es aus seiner Ruheposition verschoben, was man wiederum mit Hilfe eines Laserstrahls messen kann.

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Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht so häufig vor – bisher. Denn seit einigen Jahren steigt die Methan-Konzentration. Um den Ursachen auf den Grund zu gehen, ist es wichtig zu messen, wo und in welcher Menge Methan in die Erdatmosphäre abgegeben wird.
Eine globale Erfassung der Emissionswerte mit hoher Auflösung ist mit der herkömmlichen Messtechnologie nicht möglich. Satellitengestützte Systeme nutzen derzeit das Sonnenlicht, um Methan aufzuspüren. Messen kann man daher immer nur auf der sonnenzugewandten Seite der Erde und bei wolkenfreiem Himmel. Die Licht-Absorption lässt Rückschlüsse auf die Moleküle zu, die in der Luft vorhanden sind.

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