Fakultät für
Lebenswissenschaften
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Fakultät für Lebenswissenschaften
Dezember 2017
Bessere Proben in kürzerer Zeit: Gefriersubstitution unter Agitation

Siegfried Reipert und Helmuth Goldammer


Mit ihrem Agitationsmodul konnten Siegfried Reipert und Helmuth Goldammer
die Gefriersubstitution von einigen Tagen auf wenige Stunden verkürzen.
Foto © Ursula Gerber

Herr Dr. Reipert, was ist unter Gefriersubstitution zu verstehen und wann wird sie angewandt?

SR: Die Gefriersubstitution ist ein aufwändiges Verfahren, um biologische Proben für Elektronenmikroskopie oder andere Methoden zu präparieren. Es zielt darauf ab Zellen bzw. Gewebe, welche im Lebendzustand möglichst schnell eingefroren wurden, bei tiefen Temperaturen zu dehydrieren und zu fixieren. Dabei wird bei ca. minus 80 bis minus 90 Grad das gefrorene Zellwasser der Proben durch organische Lösungsmittel und Zusätze von Fixativen ersetzt (substituiert). Die herkömmliche Gefriersubstitution ist ein langwieriger Prozess, der bis zu 4 Tage in Anspruch nehmen kann.

Sie haben gemeinsam mit Herrn Goldammer ein Agitationsmodul entwickelt, das diesen Prozess deutlich abkürzt. Wie kam es dazu?

SR: Bereits 2011 wurde in einer Publikation von McDonalds und Webb auf das verblüffend hohe zeitliche Einsparungspotenzial hingewiesen, das durch eine Bewegung der Proben im experimentellen Setup erzielt werden konnte. Diese Idee griff ich auf, nachdem ich beruflich an das CIUS wechselte: Gemeinsam mit Helmuth Goldammer stellten wir uns der Aufgabe, die Vorzüge der Probenagitation auf automatische Gefriersubtitutionsanlagen (AFS) zu übertragen, d.h. auf Geräte die zur Grundausstattung vieler EM-Laboratorien gehören. Wir entwarfen ein Konzept , welches eine diskontinuierliche Bewegung der Proben durch Einkopplung von Magnetfeldern ermöglichte.


Agitationsmodul in Anwendung. Foto © Ursula Gerber

Das Agitationsmodul war „erfunden“, wie ging es weiter?

HG: Wir haben ein Funktionsmuster entwickelt und das Modul zunächst intern getestet. Das war sehr erfolgreich; es verkürzt die Dauer der Gefriersubstitution von einigen Tagen auf wenige Stunden. Gleichzeitig eröffneten diese Tests einen neuen Blick auf Zell-und Gewebestrukturen. Somit konnten wir eine Erfindungsmeldung an den Technologietransfer (DLE Forschungsservice und Nachwuchsförderung) der Universität einreichen. Dieser meldete das Agitationsmodul 2014 als österreichisches Patent an. Außerdem haben die KollegInnen unser Projekt für den PRIZE Award 2015 vorgeschlagen, durch den die Entwicklung von Prototypen durch das BMWFW gefördert wird.

Sie haben den PRIZE 2015 erhalten, was hat Ihnen das ermöglicht?

SR: Ja, wir hatten nun EUR 100.000 zur Verfügung, womit wir den Prototypen weiterentwickeln und widmungsgemäß Agitationsmodule kostengünstig herstellen konnten. Und nicht nur das: Es wurde uns auch ermöglicht, StundentInnen in die Entwicklung von Anwendungsbeipielen einzubeziehen. Bei all diesen Aktivitäten kamen dem Projekt die technischen Fertigkeiten und Kenntnisse von Helmuth Goldammer sehr zugute, der von diesem Geld teilweise finanziert werden konnte.

HG: Die Idee war, diverse Hauptkomponenten mittels 3-D-Druck herzustellen, was sehr gut funktioniert. Wir haben dann ab 2016 bereits Module zum Materialkostenpreis an Einrichtungen wie die University of Durham, das Max Planck Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen oder das IST Austria in Klosterneuburg weitergegeben. Alle sind von der Funktionalität des Agitationsmoduls sehr angetan, zumal wir ja darauf geachtet haben es so zu entwickeln, dass keinerlei Umbauarbeiten an den Substitutionsgeräten erforderlich sind.

In welchen Bereichen kann Ihre Erfindung eingesetzt werden?

SR: Überall dort, wo man sich vom Studium unmittelbar eingerfrorener Lebenszustände in Zellen und Geweben neue Erkenntnisse erwartet. Die deutliche Zeitreduktion bei der Gefriersubstitution ist nicht nur für die Elektronenmikroskopie von Vorteil. Auch die Lichtmikroskopie, sowie verschiedenste anlytische Nachweisverfahren für Proteine, Elemente und Isotope profitieren davon -darunter solch ansruchsvolle Verfahren wie die Nano Sekundärerionen-Massenspektrometrie. (NanoSIMS)-eine Technik, die an unserer Fakultät zu Hause ist. Es sind durchaus Konsequenzen für die inhaltliche Auswertung der Proben zu erwarten, weil die Auswaschungen von biologischem Material durch unsere Technologie reduziert werden. Deshalb sind wir zuversichtlich, dass weite Bereiche der Zell- und Molekularbiologie sowie Genetik und Medizin für ihre Probenpräparation künftig auf unsere Agitationsmodule für Gefriersubstitution zurückgreifen werden.

Wo kann man das Agitationsmodul kaufen und wie erfahren andere WissenschafterInnen davon?

HG: Im November 2016 habe ich die Firma Cryomodultech e.U. zur Herstellung der Agitationsmodule gegründet. Ich bin zwar bereits im Ruhestand, aber für ein Startup ist es nie zu spät, außerdem habe ich eine gut eingerichtete Werkstatt zur Fertigung der Module. Daher kann man das Agitationsmodul jederzeit bei Cryomodultech bestellen. Interessenten können mich auch per E-Mail (helmuth.goldammer@univie,ac.at ) jederzeit kontaktieren.

SR: Die Dissemination der Information erfolgt vor allem über wissenschaftliche Arbeiten  - meine eigenen, aber auch die der KollegInnen, die unser Agitationsmodul für ihre Forschung verwenden. Derzeit arbeiten wir an einer Publikation über Anwendungsmöglichkeiten unter Beteiligung mehrerer Anwender des Agitationsmoduls im In-und Ausland. Und im September 2017 stellte ich völlig unbekannte, optisch aktive zelluläre Mesostrukturen einer Crustacea Spezies beim Multinationalen Mikroskopiekongress in Rovinj (Kroatien) vor - aus Sicht der beteiligten KollegInnen ein eindrückliches Beispiel für den Bedarf an schneller Gefriersubstitution.

Publikationen:

Goldammer H, Hollergschwandtner E, Elisabeth NH, Frade PR, Reipert S: Automatized Freeze Substitution of Algae Accelerated by a Novel Agitation Module, Protist. 2016 Aug;167(4):369-76.

Hollergschwandtner E, Schwaha T, Neumüller J, Kaindl U, Gruber D, Eckhard M, Stöger-Pollach M, Reipert S: Novel mesostructured inclusions in the epidermal lining of Artemia franciscana ovisacs show optical activity, PeerJ. 2017 Oct 27;5:e3923. doi: 10.7717/peerj.3923.


Volland J-M, Schintlmeister A, Zambalos H, Reipert S, Mozetič P, Espada-Hinojosa S, Turk V, Wagner M, Bright M: Opens external link in new windowNanoSIMS and tissue autoradiography reveal symbiont carbon fixation and organic carbon transfer to giant ciliate host. 2017 - ISME J., in press

Links:
CIUS: http://cius.univie.ac.at/
Techniken der Mikroskopie: http://cius.univie.ac.at/ci-techniques/
Technologietransfer der Universität Wien: http://transfer.univie.ac.at/

Cryomodultech e.U.
Sonnenweg 150
1140 Wien
Tel-: +4369911344974

English version: Better, faster samples: freeze substitution under agitation

Das "Navi" der menschlichen Entwicklung

Philipp Mitteröcker

Die menschliche Entwicklung gibt ForscherInnen noch immer viele Rätsel auf. Welche Mechanismen in unserem Körper dafür sorgen, dass wir uns vom Embryo bis zum Erwachsenen in vorgegebenen Bahnen bewegen, untersucht der Biologe Philipp Mitteröcker.
Es gibt noch immer viele Krankheiten ungeklärter Ursache. ForscherInnen vermuten, dass häufig die "Entwicklungskanalisierung" gestört ist – wobei über diesen Mechanismus erstaunlich wenig bekannt ist. Der Biologe Philipp Mitteröcker ist diesem Rätsel der Evolution auf der Spur.


Philipp Mitteröcker, Department für Theoretische Biologie

Die Natur überlässt bekanntlich wenig dem Zufall. Wie wir uns vom Embryo zum Erwachsenen entwickeln, ist daher genau vorgegeben. Entfernen wir uns z.B. aufgrund von äußeren Einflüssen oder Krankheiten von diesem "Soll-Pfad" der Entwicklung, greifen bestimmte Mechanismen, um uns wieder auf den richtigen Weg zurückzuführen. Also alles gut geregelt – unser "Navi" sorgt dafür, dass unser Körper den richtigen Weg nicht aus dem Auge verliert.

"Das wächst sich aus"

"Man kennt das Phänomen, dass Kinder aufgrund von Krankheit oder Hormonmangel langsam wachsen – aber sobald diese 'Hemmer' beseitigt sind, wieder in die Höhe schießen", nennt der Biologe Philipp Mitteröcker das "Aufholwachstum" als Beispiel. "Auch ein durch die Geburt etwas verformter Schädel wächst sich bald wieder aus."
Der Spruch des "Auswachsens" zeigt, dass dieses Phänomen schon lange bekannt ist – obwohl nicht jedes Auswachsen tatsächlich mit Kanalisierung zu tun hat. Doch woher weiß unser Körper z.B. wie hoch er wachsen soll? Hinter welchen Phänomenen ein Soll-Pfad den Weg vorgibt und wie diese Mechanismen genau funktionieren, untersucht Mitteröcker am Department für Theoretische Biologie der Universität Wien im Rahmen eines FWF-Projekts.

Cranium als Modell-Organismus

Dafür bedient er sich eines ganz besonderen Modell-Organismus': Dem menschlichen Kopf (Cranium). "Das Cranium ist eine der komplexesten Strukturen unseres Körpers. Der Schädel besteht aus rund 30 Knochen, die alle exakt aufeinander abgestimmt sind, und er umfasst viele funktionell und entwicklungsbiologisch unterschiedliche Bestandteile – von den Sinnesorganen über den Beginn des Verdauungstraktes bis hin zum Gehirn", so der Forscher und betont: "Präzises und koordiniertes Wachstum sind hier also besonders wichtig."

Ein Beispiel für eine Krankheit, bei der die Kanalisierung eine Rolle spielt, ist das Fetale Alkoholsyndrom. Es zeigt sich bei Kindern, deren Mütter in der Schwangerschaft viel Alkohol konsumieren. "Studien zeigen, dass sich das Syndrom sehr unterschiedlich auf das Gehirn der Kinder auswirkt. Der Alkohol schwächt als Nervengift die Kanalisierung, wodurch es zu einer höheren Variabilität in der Entwicklung kommt – die Entwicklungskontrolle bricht quasi zusammen", so Mitteröcker.
Gesichtschirurgie als Beispiel

Anhand von Oberflächenscans, Computertomographie und genetischen Daten geht der Biologe der Frage nach, wie die Wachstumsprozesse genau reguliert werden und welche genetische Basis dahinter liegt. Dabei steht laut Mitteröcker eine konkrete klinische Anwendung im Fokus des Projekts: "Ist der Unterkiefer so klein, dass die Zähne nicht ineinandergreifen – und eine Zahnspange als Therapie nicht ausreicht –, wird er operativ nach vorne gesetzt. Diese gesichtschirurgische Behandlung bezeichnet man als mandibuläre sagittale Split Osteotomie."

Timing ist alles

Oftmals bildet sich der Unterkiefer nach diesem Eingriff wieder zurück – das bedeutet, die Kanalisierung führt auf einen unerwünschten Soll-Pfad. "Wir untersuchen, ob dieser 'Rückfall' eventuell durch einen besser getimten Behandlungsplan verhindert werden kann. Denn unsere Vorstudien haben u.a. gezeigt, dass zu unterschiedlichen Zeiten in der Entwicklung die verschiedenen morphologischen Strukturen unterschiedlich stark kanalisiert werden", erzählt der Experte. Das könnte man sich in der Therapie zunutze machen.
Wie kann es sein, dass in unserem Körper alles so präzise aufeinander abgestimmt ist und jeder Körperteil weiß, wie er sich entwickeln soll? "Wir versuchen, diese Mechanismen zu verstehen. Dieses Wissen kann dazu beitragen, Krankheiten, denen eine Störung einer solchen Kanalisierung zugrunde liegt, besser zu therapieren", betont der Biologe der Uni Wien.

Laterale Schädelröntgen

Anhand verschiedener Daten – darunter auch viele historische – entwickelt Mitteröcker mathematische Modelle, die schlussendlich in einer umfassenden Theorie enden sollen. "Wir schauen uns vor allem frühere langjährige Röntgenstudien an: In den 1950er Jahren wurde eine Gruppe ausgewählt, deren Schädel von Geburt an in regelmäßigen Abständen bis ins Erwachsenenalter hinein lateral geröntgt wurden – also Röntgen, wie es z.B. auch die Zahnärztin macht", so der Projektleiter.


Micro-CT eines fossilen Schädels (ca. 100.000 Jahre alt)  © Gerhard W. Weber

Von Zwillingen lernen

Da solche Langzeitstudien mit Röntgenaufnahmen heute nicht mehr durchgeführt werden, sieht Mitteröcker es als Glücksfall für die Forschung an, auf diese Daten zurückgreifen zu können. "Besonders spannend sind dabei historische Daten aus einer Zwillingsstudie, da wir dadurch etwas über die Vererbbarkeit bzw. den Einfluss der Gene auf die Kanalisierung sagen können", freut sich der Wissenschafter, der neben den historischen Daten auch dreidimensionale CT-Daten, Knochensammlungen und Röntgenaufnahmen, die ihm KieferorthopädInnen zur Verfügung stellen, in seine Forschungsarbeit aufnimmt.

Schnittstelle zwischen Evolutions- und Entwicklungsbiologie

Der Biologe verbindet in seinem Projekt nicht nur theoretische und empirische Arbeit, sondern auch klassische entwicklungsbiologische Ansätze mit evolutionsbiologischen. "Das sind zwei ganz unterschiedliche Zugänge: Während die einen anhand weniger Individuen qualitative Mechanismen erforschen und Variabilität eher vernachlässigen, untersuchen EvolutionsbiologInnen primär die Variabilität zwischen Individuen und Populationen", erklärt Mitteröcker.

Seine Forschung – und das Department für Theoretische Biologie als solches – bilden hier eine wichtige Schnittstelle. "Komplexe Mechanismen wie die Kanalisierung können wir nur verstehen, indem wir innovative Methoden entwickeln und die Evolutions- mit der Entwicklungsbiologie verbinden." (ps)

Assoz. Prof. Mag. Dr. Philipp Mitteröcker, Privatdoz. vom Department für Theoretische Biologie der Universität Wien leitet das FWF-Projekt "Entwicklungskanalisierung im menschlichen Kopf", das von 1. Oktober 2016 bis 30. September 2019 in Kooperation mit der Medizinischen Universität Wien und der Bernhard-Gottlieb-Universitätszahnklinik in Wien läuft. ProjektmitarbeiterInnen sind Nicole Grunstra, Anne Le Maître und Sonja Windhager.

English Version: The "navigation system" of human development

eTRANSAFE setzt neue Standards in der Bewertung von Arzneimittelrisiken

 

40 Millionen Euro für ein europäisches Projekt zur Beurteilung der  Arzneimittelsicherheit und Entwicklung neuer Methoden zur integrativen Datenanalyse. Die Arbeitsgruppe für Pharmakoinformatik an der Universität Wien entwickelt neue Berechnungsmodelle für Arzneimittelrisiken und leitet den Bereich Open Innovation.

Eine fortschrittliche Infrastruktur zur Datenintegration und innovative Rechenmethoden sollen im 5-Jahresprojekt eTRANSAFE (Enhancing Translational Safety Assessment through Integrative Knowledge Management) die Sicherheit im Arzneimittelentwicklungsprozess verbessern.  Gefördert wird das Projekt von  der Innovative Medicines Initiative 2 Joint Undertaking (IMI 2; imi.europa.eu) und der pharmazeutischen Industrie.

Das eTRANSAFE-Konsortium besteht aus 8 akademischen Institutionen, 6 KMU und 12 Pharmaunternehmen und wird vom Fundació Institut Mar d'Investigacions Mèdiques (IMIM) koordiniert sowie vom Pharmaunternehmen Novartis geleitet. Österreichischer Partner ist die Universität Wien mit der Arbeitsgruppe für Pharmakoinformatik am Department für Pharmazeutische Chemie.
 
Ziel des Projekts ist es, die Sicherheitsbewertung über den Wirkstoffforschungs- und Entwicklungsprozess hinweg zu verbessern. Bioinformatische Ansätze für gemeinsame präklinische und klinische Daten werden eingesetzt, um die in vitro zu in vivo Umsetzbarkeit von Effekten (IVIVE) systematisch zu analysieren. Dadurch wird die Optimierung der Ressourcen und die Entwicklung von sichereren Medikamenten ermöglicht.
"Eine globale und systematische Vorhersage-Analyse des gesamten kollektiven historischen Datenpools wurde noch nie gemacht", meint Projektleiter Francois Pognan von Novartis. "Es ist bisher kaum bekannt, in welchem ??Ausmaß und in welcher Häufigkeit ein Effekt, der an einer Tierart beobachtet wurde, auf den Menschen übertragbar ist ", fügt Thomas Steger-Hartmann von Bayer hinzu.

Das eTRANSAFE-Projekt wird substanzielle Anstrengungen im Bereich der Datenstandardisierung und Qualitätskontrolle unternehmen. Die Entwicklung und Umsetzung relevanter Datenaustauschrichtlinien und –verfahren wird gefördert, was eine maßgebliche globale Auswirkung in der Community haben wird. eTRANSAFE dient als Katalysator, um die Transformation der Modellierung sicherer Arzneien von monolithischen Anwendungen und isolierten Daten-Repositories hin zu einem offenen Innovation-Ökosystem zu gewährleisten, das auf offenen Standards, modularen Komponenten und Datenintegrations-Dienstleistungen basiert.

Die Pharmakoinformatik-Forschungsgruppe der Universität Wien (http://pharminfo.univie.ac.at), wird ihre Expertise in der Modellierung und Datenintegration einsetzen, um neue Berechnungsmodelle für Arzneimittelrisiken zu entwickeln. Aufgrund der komplexen Natur der Toxizität spielen dabei Algorithmen, die auf deep learning und künstlicher Intelligenz basieren, eine wichtige Rolle. Darüber hinaus wird die Gruppe von Gerhard Ecker auch in der Datenerhebung und Datenintegration tätig sein und den Bereich Open Innovation leiten.
Gerhard Ecker: "Teil dieses Projektes zu sein, stärkt unsere Rolle als eine der führenden Gruppen in der Sicherheitsbewertung potenzieller Arzneimittel. Die enge Zusammenarbeit mit großen Pharmaunternehmen eröffnet unseren jungen ForscherInnen Einblicke in die industrielle pharmazeutische Forschung und bereitet sie auf eine mögliche Karriere in der Industrie vor."
Weitere Informationen zum eTRANSAFE-Projekt finden Sie unter: http://www.etransafe.eu/

English version: eTRANSAFE sets new standards in the evaluation of drug risks

Redaktion: Prof. Dr. Verena Dirsch und Prof. Dr. Gerhard Herndl

Interviews & Texte: Mag. Ursula Gerber, uniview

Übersetzung ins Englische: Michael Stachowitsch

Gestaltung: DI Andrea Szabo