Hochschule

Krankheiten sicher identifizieren

09.01.2019 - Molekulare logische Schalter aus Farbstoffmolekülen ermöglichen neuen Ansatz für medizinische Diagnostik.

Molekulare logische Schalter sind chemische Verbindungen, die wie elektronische Schaltungen im Computer funktionieren: Sie verarbeiten Informationen zu einer logischen Antwort. Welche grund­legenden Eigen­schaften diese Moleküle besitzen und ob sich mit ihnen in Zukunft Krank­heiten diagnostizieren lassen, erforscht ein inter­nationales Wissenschaftler-Team in einem vom Leibniz-Institut für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) in Jena koordinierten Projekt. Die Europäische Union fördert das Vorhaben in den kommenden vier Jahren mit mehr als 3,5 Millionen Euro.

Im Projekt „Logic Lab - Molecular logic lab-on-a-vesicle for intracellular diagnostics“ erforschen Wissenschaftler verschiedener Fach­richtungen, wie sich Farbstoff­moleküle zu neuen logischen Schaltungen zusammen­setzen lassen. Sie hoffen mit ihnen Fehl­funktionen von Zellen nach­weisen können und so etwa den Beginn von Krank­heiten wie Arterio­sklerose früher als bisher zu diagnostizieren. Ab April 2019 arbeiten an dem Thema 14 inter­nationale Promovierende an insgesamt neun Hoch­schulen, Forschungs­einrichtungen und Unter­nehmen in Deutsch­land, Irland, den Nieder­landen, Polen und der Slowakei. Ziel des Innovativen Trainings­netz­werks (ITN) ist es, durch fach­lichen Aus­tausch sowie durch intensives wissen­schaftliches Training und das Erlernen außer­fachlicher Kompetenzen hoch­qualifizierte Nach­wuchs­forscher auszubilden.

Molekulare logische Schalter sind meist organische Moleküle, die auf physikalische oder chemische Signale reagieren und daraus eine Antwort generieren, beispiels­weise indem sie fluoreszieren. In der medizinischen Diagnostik könnten sie krank­heits­typische Substanzen schnell und einfach nach­weisen oder mit Hilfe von Licht Tumor­zellen gezielt zerstören. Solche molekularen Schalter sind bislang selten und ihre Anwendung in der Medizin ist wenig erforscht. Ein Grund dafür ist, dass sie bisher nur für wenige spezifische Inputs verfügbar sind, etwa für den pH-Wert und die Konzentration von Natrium-Ionen. Die Frage­stellungen in der medizinischen Diagnostik sind komplexer und die bekannten Moleküle meist nicht für den Einsatz in biologischen Proben geeignet.

„Unser Ziel ist es, die molekularen logischen Schalter für Anwendungen in biologischer Umgebung und Zellen anzupassen“, erklärt Benjamin Dietzek, der das Projekt „Logic Lab“ am Leibniz-IPHT koordiniert. Dazu wollen die Forscher Liposom-Vesikel nutzen – mit Flüssig­keit gefüllte Bläschen, deren Hülle aus einer Lipid-Doppel­schicht besteht. „In die Vesikel integrieren wir mehrere molekulare Schalter für unter­schiedliche Inputs. Wir hoffen mit diesem Mini-Labor verschiedene biologische Signal- und Boten­stoffe parallel zu erfassen und auszuwerten. Das System wollen wir dann an lebenden Zellen testen“, so Dietzek. Ein Vorteil der Methode ist, dass sich die Mini-Labore wie in einem Bau­kasten­system für die jeweilige Frage­stellung zusammen­setzen lassen.

Eine medizinische Anwendung sieht das Forscher-Team in der Diagnose der endothelialen Dys­funktion. Endothel­zellen, die die innere Wand unserer Blut­gefäße bedecken, regulieren mittels Signal- und Boten­stoffen wie Stick­stoff­monoxid und Kalzium­ionen den Blut­druck. Gerät das Gleich­gewicht dieser Substanzen lang­fristig durch­einander, kommt es zu einer Fehl­funktion der Zellen, die vermutlich für den Beginn der chronischen Erkrankung Arterio­sklerose verantwortlich ist. Das Mini-Labor soll Abweichungen in der Konzentration der Substanzen in den Zellen nach­weisen und so eine früh­zeitige Diagnose der endo­thelialen Dys­funktion ermöglichen. Damit könnten geeignete Therapie­verfahren eingeleitet werden, die die Ablagerung von lebens­bedrohlichen Plaques in den Blut­gefäßen verhindern und letzt­endlich das Risiko eines Herz­infarkts oder Schlag­anfalls minimieren.

Um die notwendigen Grundlagen für das komplexe Vorhaben zu erforschen, arbeiten im Projekt „Logic Lab“ Expertinnen und Experten aus den Bereichen Spektro­skopie, Chemie, Mikro­fluidik und experimenteller medizinischer Therapie eng zusammen. „Damit unsere Forschungs­ergebnisse zukünftig in der medizinischen Forschung angewandt werden können, beziehen wir Nutzer und Technologie­firmen von Anfang mit ein“, erläutert Benjamin Dietzek.

Leibniz-IPHT / DE

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