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Mit molekularen Schaltern Krankheiten diagnostizieren

Ein internationales Wissenschaftler-Team erforscht in einem vom Leibniz-Institut für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) in Jena koordinierten Projekt molekulare logische Schalter. Dabei handelt es sich um 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, ist Forschungsgegenstand in dem 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 Wissenschaftlerinnen und 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 bislang wenig erforscht

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, z.B. für den pH-Wert und die Konzentration von Natrium-Ionen.

„Unser Ziel ist es, die molekularen logischen Schalter für Anwendungen in biologischer Umgebung und Zellen anzupassen“, erklärt Prof. Benjamin Dietzek, der das Projekt „Logic Lab“ am Leibniz-IPHT koordiniert. 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.

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 Prof. Benjamin Dietzek.