Trainingsergebnisse, persönliche Fitnessdaten, technische Lösungen zur Datenerhebung und Datenauswertung sowie die Ableitung zu personalisierten Trainingsplänen spielen beim Thema „Personalisierte Trainingssteuerung“ die entscheidende Rolle. Langfristiges Ziel ist ein kontinuierlich verbessertes Training, das zu optimierten Trainingsresultaten führt. Viele Akteure in der Region arbeiten bereits an entsprechenden Lösungen. Das Problem: Jeder meist nur auf seinem Gebiet. Die Herausforderung: Interdisziplinarität.

 

Gefordert: Interdisziplinarität zwischen persönlichen Daten, Sportmedizin und Technik

 

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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.

Die Zylinder mit der maisartigen Struktur sind 10.000 x 3.000 Nanometer klein, etwa so groß wie ein Bakterium. Damit stehen sie auch auf dem Speisezettel der Fresszellen des Immunsystems. „Sie sind von ihrer Größe her so bemessen, dass sie beim Inhalieren im tiefen Lungengewebe landen. Zudem stellen wir über die Größe sicher, dass nur die Immunzellen, vor allem die Makrophagen, den Transporter aufnehmen“, erläutert Schneider. Die Fresszellen fressen den „Nano-Mais“. Durch ihre Verdauungsprozesse setzen sie den in ihm transportierten Wirkstoff frei: Konkret besteht dieser Wirkstoff aus genetischem Material, das die Funktion der Makrophagen beeinflusst. Die in dieser so genannten Plasmid-DNA enthaltenen „Befehle“ programmieren die Immunzellen so um, dass sie einen erwünschten Therapieeffekt auslösen und zur Heilung beitragen können. Der „Nano-Mais“ sorgt dafür, dass diese Ladung zielgenau im richtigen Zelltyp abgeliefert wird.

Mehrere Jahre arbeiteten die Forscher und ihre Partner daran, die kleinen Transporter im Mikrometer-Maßstab stabil herstellen und passgenau beladen zu können. Schneider und sein Team füllen hierzu Partikel in eine stäbchenförmige Nano-Schablone mit vielen kleinen Löchern: ganz so als würden sie Teig in eine Kuchenform gießen. Es entsteht ein Nano-Röhrchen mit vielen kleinen Kugeln. Damit dieses zusammenhält und nicht auseinanderfällt, verkleben die Forscher die Moleküle Lage für Lage miteinander und verbacken dabei zugleich auch die pharmazeutisch aktiven Substanzen. Wenn die Membran-Schablone sich später auflöst, bleibt der fertig beladene maisförmige Transporter.

Um die Ladung mit der Plasmid-DNA optimal für den Transport zu bemessen und anzupassen, arbeiteten Schneider und sein Team mit Forschern des Leibniz-Instituts für Neue Materialien auf dem Saarbrücker Campus zusammen.

Dass die kleinen Trägersysteme tatsächlich ihre Ladung in die Lungenzellen liefern, konnten die Pharmazeuten zusammen mit Biopharmazeuten der Philipps-Universität Marburg um Professor Udo Bakowsky und Zellbiologen der Saar-Universität aus dem Team von Professor Thomas Tschernig zeigen: Hierzu beluden die Wissenschaftler den „Nano-Mais“ mit genetischem Material, das den Bauplan von so genannter „Luciferase“ enthält: Dieses Enzym ruft eine Leuchtreaktion, eine Biolumineszenz, hervor. Nimmt die Zelle den „Nano-Mais“ mit dieser Ladung auf, produziert sie dieses Enzym und leuchtet. Die Wissenschaftler konnten nach erfolgreichem Transport das Leuchten in den Zellen nachweisen.

Noch ist der Wirkstoff-Transporter Gegenstand der Grundlagenforschung. Aber die Forscher um Marc Schneider entwickeln das Material ihres Wirkstoff-Transporters derzeit für den späteren Einsatz in der Therapie weiter. So könnte der Transporter in nicht ferner Zukunft etwa in der Mukoviszidose-Therapie Einsatz finden.

„Aspherical, Nanostructured Microparticles for Targeted Gene Delivery to Alveolar Macrophages“. Michael Möhwald, Shashank Reddy Pinnapireddy, Bodo Wonnenberg, Marcel Pourasghar, Marijas Jurisic, Andrea Jung, Claudia Fink-Straube, Thomas Tschernig, Udo Bakowsky, Marc Schneider. Advanced Healthcare Materials
onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adhm.201700478/abstract

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Kontakt:
Prof. Dr. Marc Schneider (Institut für Biopharmazie und Pharmazeutische Technologie)
Tel.: 0681 302 2438; E-Mail: Marc.Schneider@mx.uni-saarland.de
www.uni-saarland.de/lehrstuhl/schneider.html

Nanopartikel ermöglichen Einfrieren roter Blutkörperchen mit natürlichem „Frostschutz“

30.06.2017 09:27

 

Für Bluttransfusionen benötigen Krankenhäuser einen ausreichenden Vorrat an roten Blutkörperchen. Um sie haltbar zu machen, werden diese kryokonserviert, also eingefroren. Als Frostschutzmittel eignen sich am besten natürliche Stoffe, da sie nicht aufwändig aus dem Blut entfernt werden müssen. Ein internationales Wissenschaftler-Team konnte jetzt nachweisen, dass das natürliche Frostschutzmittel Trehalose durch die Anwesenheit von mineralischen Nanopartikeln (Apatit) in die Blutzellen geschleust werden kann. Damit eignet sich das Verfahren für die klinische Praxis. Welcher Mechanismus dabei wirksam wird, haben unter anderem Physiker der Universität des Saarlandes erforscht.  

Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Biomaterials veröffentlicht.

Bluttransfusionen sind tägliche Praxis in Krankenhäusern. Dies erfordert einen ausreichenden Vorrat an roten Blutkörperchen. Um die Zellen haltbar zu machen, werden sie bei minus 80 Grad Celsius gelagert (Kryokonservierung). Als Gefrierschutz nutzt man seit den 1970er Jahren Lösungsmittel wie Glycerin. Da dieses giftig ist, muss es vor der Transfusion mittels Dialyse aufwändig aus dem Blut entfernt werden. Im Gegensatz dazu könnten natürliche Frostschutzmittel wie Trehalose – ein Disaccharid, das in einigen Pflanzen und Pilzen vorkommt – bei der Kryokonservierung genutzt werden, ohne dass eine anschließende Dialyse notwendig wäre. Allerdings hat sich gezeigt, dass auf diese Weise beim Auftauen zu viele rote Blutzellen absterben.

Um zu erforschen, wie die Kryokonservierung mittels Trehalose dennoch gelingen könnte, hat eine Forschergruppe vom CIRIMAT-Institut der Universität Toulouse Experimente mit Apatit-Nanopartikeln durchgeführt (Durchmesser circa 40 Nanometer). Diese mineralischen Partikel konnten die Wissenschaftler kostengünstig selber herstellen. Sie bestehen aus denselben Bestandteilen wie Knochen oder Zähne, sind also biokompatibel. In Zusammenarbeit mit Materialwissenschaftlern aus Slovenien testeten sie die Kryokonservierung der roten Blutzellen mittels Trehalose in Anwesenheit von Nanopartikeln. In diesen Versuchen überstanden mehr als 90 Prozent der roten Blutkörperchen den Auftauprozess unbeschadet; damit wäre dieses Verfahren für klinische Anwendungen praktikabel. Die Forscher schlussfolgerten, dass die Apatit-Nanopartikel die Aufnahme von Trehalose durch die Zellmembran der roten Blutkörperchen ermöglichen.

Welcher Mechanismus dabei wirksam wurde, untersuchte ein Team von theoretischen Physikern der spanischen Universität „Rovira i Virgili“ und von Experimentalphysikern um Dr. Jean-Baptiste Fleury an der Universität des Saarlandes (Arbeitsgruppe Prof. Ralf Seemann). Die Saarbrücker Forscher entwarfen eine künstliche Zellmembran aus einer Doppellage von Phospholipiden und untersuchten die Interaktion einzelner Nanopartikel mit der Membran. Mittels Fluoreszensmikroskopie und elektrophysiologischen Messungen konnten sie ermitteln, mit welcher Geschwindigkeit sich die Nanopartikel an die Membran anhefteten. Diese gilt als Maß für die Adhäsionsenergie und ist die entscheidende Größe für die anschließende Computersimulation der spanischen Wissenschaftler: In dieser konnte die Membran um einzelne Nanoapatit-Teilchen herum dargestellt werden. Es zeigte sich, dass sich in der Umgebung der Nanoteilchen die „Packungsdichte“ der Phospholipid-Moleküle verringerte, wodurch die Membran – ähnlich wie ein Gummiband – lokal gedehnt wurde. Als Folge kann der Gefrierschutz Trehalose die Zellmembran in ausreichend großer Menge durchdringen.

Die Ergebnisse der Studie erlauben neue Vorgehensweisen in der klinischen Praxis. Zudem eröffnen sie interessante Möglichkeiten in der Biotechnologie, insbesondere beim Transport von Arzneimittelwirkstoffen.

Das Projekt wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 1027 an der Universität des Saarlandes unterstützt.
Weitere Infos zum Sonderforschungsbereich: idw-online.de/en/news663669
Link zum SFB 1027: www.sfb1027.uni-saarland.de

Link zur Veröffentlichung:
www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0142961217304179

Kontakt:
Dr. Jean-Baptiste Fleury
Experimentalphysik der Universität des Saarlandes
E-Mail: jean-baptiste.fleury@physik.uni-saarland.de
www.uni-saarland.de/fak7/seemann/ 

Verbesserter Korrosionsschutz durch plättchenförmige Metallphosphat-Partikel

17.04.2018

Forscher des INM haben spezielle, plättchenförmige Metallphosphat-Partikel entwickelt: Diese verbessern die Passivierung und erhöhen die Diffusionsbarriere für korrosive Substanzen. Neben Zinkphosphat stehen neuerdings auch Manganphosphat Plättchen zur Verfügung.

 

Für Architektur, Brücken- und Schiffsbau werden große Mengen Stahl verbaut. Solche Konstruktionen sollen langlebig sein. Sie dürfen auch im Laufe vieler Jahre nicht an Festigkeit und Sicherheit verlieren. Dafür müssen verwendete Stahlplatten und -träger dauerhaft und großflächig gegen Korrosion geschützt werden. Vor allem Luftsauerstoff und Wasserdampf sowie Salze greifen den Stahl an. Um das Eindringen der korrosiven Substanzen zu verhindern, verwendet man als gängige Methode den Korrosionsschutz mit Zinkphosphat-Beschichtungen bei gleichzeitiger Phosphatierung von Metalloberflächen.

 

Nun haben Forscher des INM spezielle, plättchenförmige Metallphosphat-Partikel entwickelt: Diese verbessern die Passivierung und erhöhen die Diffusionsbarriere für korrosive Substanzen. Neben Zinkphosphat stehen neuerdings auch Manganphosphat Plättchen zur Verfügung.

 

Ihre Ergebnisse und Möglichkeiten zeigen die Entwickler auf der diesjährigen Hannover Messe am Stand B46 in Halle 2 vom 23. bis 27. April.

 

Die plättchenförmigen Partikel sind aufgrund ihrer Anisotropie besser löslich als entsprechende kugelförmige Partikel gleicher Zusammensetzung. „Dadurch werden im Bedarfsfall mehr Phosphat-Ionen aus der Beschichtung bereitgestellt. Dies gewährleistet eine verbesserte und raschere Repassivierung, falls Metalloberflächen durch mechanische Beschädigung freigelegt wurden“, sagt Carsten Becker-Willinger, Leiter des Programmbereichs Nanomere® am INM.

 

„Außerdem schichten sich die plättchenförmigen Nanopartikel dachziegelartig übereinander. Dadurch verlängert sich der Weg der korrosiven Gasmoleküle durch die Schutzbeschichtung hindurch, weil sie sich einen Weg an den Plättchen vorbei suchen müssen“, erklärt der Chemiker Becker-Willinger weiter. Das Ergebnis sei eine deutlich langsamere Korrosion als bei Beschichtungen mit kugelförmigen Partikeln, wo Gasmoleküle viel schneller einen Weg durch die Schutzschicht zum Metall finden.

 

In Testreihen konnten die Wissenschaftler die Wirksamkeit der neuen Partikel bestätigen. Dazu bewitterten sie Stahlbleche, die mit Metallphosphat-Partikel haltigen Epoxidharzen beschichtet wurden, in standardisierten Korrosionstests. Dabei schnitten Beschichtungen mit plättchenförmigen Phosphat-Partikeln etwa zehn mal besser ab als Beschichtungen mit kugelförmigen Phosphat-Partikeln.

 

Die plättchenförmigen, am INM entwickelten, Metallphosphat-Partikel werden in einem kontrollierten Fällungsprozess erzeugt.