Die folgenden Projekte starteten 2023 neu. 

Im Nano-Argovia Projekt NanoFemto Tweezers entwickelt ein interdisziplinäres Team optische Pinzetten, mit denen sich verschiedene Zelltypen – darunter auch Nervenzellen – auf kleinstem Raum zusammensetzen lassen. Die Forschenden der Hochschule für Technik und der Hochschule für Life Sciences der Fachhochschule Nordwestschweiz FHNW setzen zusammen mit dem Industriepartner TLD Photonics Femtosekundenlaser und nano-optische Elemente ein, um derartige optische Fallen (Pinzetten) zu bauen. Mit dem entwickelten System planen die Forschenden den 3D-Druck von Zellen und den Aufbau von Organen auf einer Mikrometeroberfläche (Body-on-Chip) zu realisieren – um beispielsweise die Auswirkungen von Medikamenten auf verschiedene Organsysteme auf einem Chip untersuchen zu können.

Die Wirkung pharmazeutischer Substanzen kann bereits in der Forschungs- und Entwicklungsphase auf biomedizinischen Sonden (Chips) untersucht werden, wobei Reaktionen ganzer Organe simuliert werden können. Für die Untersuchung von Nebenwirkungen ist es aber auch wünschenswert, nicht nur Zelltypen eines Organsystems, sondern ganz unterschiedlicher Organe auf einem Chip zu platzieren (Body-on-Chip) und ein breiteres Spektrum pharmakologischer Effekte abzubilden. Im Hinblick auf die Entwicklung der personalisierten Medizin könnten solche Untersuchungen mit patientenspezifischen Zellen durchgeführt werden. Darüber hinaus versprechen derartige Biochips die weitere Reduzierung von Tierversuchen.

Fallen für verschiedene Zelltypen

Das Team im Nano-Argovia-Projekt NanoFemto Tweezers unter Leitung von Professor Dr. Bojan Resan (Hochschule für Technik FHNW) plant nun die Entwicklung von optischen Pinzetten, die für den Aufbau von derartigen Body-on-Chip-Systemen verwendet werden können.

Optische Pinzetten verwenden einen fokussierten Laser mit einem spezifischen Intensitätsprofil. Das Laserlicht übt auf mikroskopische Objekte eine Kraft aus, die dazu führt, dass das Objekt – in diesem Fall Zellen – immer wieder in den Fokus des Laserstrahls gezogen wird, so dass die Zellen gefangen, fixiert oder kontrolliert bewegt werden können.

Um verschiedene Zelltypen auf einer Fläche von wenigen Mikrometern anzuordnen, müssen die verschiedenen Zelltypen zunächst mit nano-optischen Fallen «eingefangen» werden. Anschliessend können sie zu einem dreidimensionalen komplexen Gewebe zusammengesetzt werden, während der Prozess mit einem Multiphotonenmikroskop unter Verwendung desselben Femtosekundenlasers überwacht und gesteuert wird.

Die Forschenden im Projekt NanoFemto Tweezers untersuchen zunächst verschiedene nanolithografische Methoden, um massgeschneiderte nanodiffraktive Optiken für Fallen für verschiedene Zelltypen herzustellen. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Verwendung eines Lasers, der bei ausreichend kurzen Pulsen keine grosse Hitze in der Umgebung der Zelle erzeugt und somit die Zellen nicht schädigt.

Das Projektteam entwickelt daher einen neuartigen Laser, der auf einem diodengepumpten roten Alexandritlaser basiert und Pulse im Femtosekundenbereich (1 Femtosekunde = 10^-15 Sekunden) erzeugt. Die verwendeten Laser zeichnen sich durch eine hohe Effizienz aus, sind kompakt, zuverlässig und kostengünstig und können Zellen sanft einfangen, ohne die Umgebung zu erhitzen.

In einer Fallstudie planen die Forschenden, einen Prototyp der optischen Pinzette für den Zusammenbau eines Nervengewebes zu verwenden. 

«Das Nano-Argovia Projekt NanoFemto Tweezers ermöglicht es uns, einen unserer neuartigen Laser für mehrere neue Anwendungen zu erforschen und zu kommerzialisieren – darunter optische Pinzetten, Multiphotonen-Bildgebung und 3D-Druck von biomedizinischem Gewebe im Mikrobereich.»

Stephan von Wolff, CEO TLD Photonics AG

Im Nano-Argovia-Projekt NanoHighSens entwickeln Forschende der Hochschulen für Life Sciences und Technik der Fachhochschule Nordwestschweiz FHNW in Zusammenarbeit mit der Firma Camille Bauer Metrawatt einen neuartigen Stromsensor. Das Team verwendet eine Anordnung von acht kleinen Magnetometern, die den Stromleiter umgeben und jeweils auf 100 magnetischen Tunnelkontakten basieren. Der Sensor soll bestehende Technologien in Bezug auf Bandbreite und Auflösung übertreffen und neue Standards für Stromqualitätsmessgeräte erfüllen.

Im 2021 gestarteten Nano-Argovia-Projekt Nanocompass hat das interdisziplinäre Team um Projektleiter Professor Dr. Joris Pascal (Hochschule für Life Sciences FHNW) bereits erfolgreich gezeigt, dass sich nanoskalige magnetische Tunnelkontakte ideal als Messgeräte für Magnetfelder eignen.

Magnetische Tunnelkontakte bestehen aus zwei ferromagnetischen Schichten, die durch eine dünne Isolationsschicht getrennt sind. Wenn die Magnetisierung der beiden ferromagnetischen Schichten parallel ist, können Elektronen leichter durch die Isolierschicht "tunneln" als bei einer entgegengesetzten Magnetisierung. Dieser Mechanismus wird durch die Stärke des Magnetfeldes beeinflusst, das an die magnetischen Tunnelkontakte angelegt wird. Dadurch wird das Magnetfeld messbar.

Da auch Strom ein Magnetfeld erzeugt, lässt sich durch die Messung des Magnetfelds, das durch den in einem Leiter fliessenden Strom erzeugt wird, die Stärke des Stroms bestimmen.

Hohe Auflösung und große Bandbreite

Im Rahmen des Projekts NanoHighSens will das Team von Joris Pascal die magnetischen Tunnelkontakte (engl. Magnetic Tunnel Junction MTJ) nun nutzen, um präzise Messgeräte für Stromnetze zu entwickeln. Dazu verwenden die Forschenden acht Magnetometer auf der Basis von MTJs, die um einen Primärleiter angeordnet sind, der den zu messenden Wechsel- und Gleichstrom führt.

Jedes der acht Magnetometer besteht aus einer Anordnung von 100 nanoskaligen MTJs, einschließlich ihrer Verschaltung, die auf einer Fläche von 100 μm x 100 μm angeordnet sind. Da die jeweiligen Messungen auf einem Durchschnitt von 100 Magnetfeldmessungen beruhen, ergibt sich eine sehr gute Auflösung mit einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis im Vergleich zu herkömmlichen Geräten.

Auch die hohe Bandbreite von MTJs – also die Menge an Daten, die übertragen werden kann – verspricht Vorteile gegenüber anderen Ansätzen.

Im Rahmen des Nano-Argovia-Projekts NanoHighSens wird das Projektteam verschiedene magnetische Tunnelkontakte und das Design des neuen Strommessgeräts testen und in den Anlagen von Camille Bauer Metrawatt validieren.

«Das Projekt NanoHighSens ist ein essentieller Basisbaustein für eine gesamtheitliche Energie-Effizienzbetrachtung unter Berücksichtigung des Netzqualitäts-Fussabdruckes.»

Max Ulrich, Geschäftsführer Camille Bauer Metrawatt AG

Im Nano-Argovia-Projekt QSBI untersucht ein interdisziplinäres Team die Möglichkeit Quantensensoren, die auf Diamanten mit Stickstoff-Vakanzzentren beruhen, zur Untersuchung der Hirnaktivität einzusetzen. Das Team mit Forschenden vom Paul Scherrer Institut, dem CSEM Allschwil und dem Industriepartner Qnami plant mit dem Projekt die bestehende Methode der Magnet-Enzephalografie zu optimieren. Zudem möchten die Forschenden einen Algorithmus entwickeln, damit aus den Messdaten eine dreidimensionale Karte der Hirnaktivität erstellt werden kann.

Wenn Nervenzellen miteinander kommunizieren, fliessen schwache elektrische Ströme und es entstehen Magnetfelder, die sich messen lassen. Die Magnet-Enzephalografie (MEG) analysiert mithilfe von Magnetfeldsensoren diese Magnetfelder im Gehirn. Sie trägt so dazu bei, dass die Aktivität des Gehirns, indem Milliarden von Nervenzellen miteinander interagieren, besser verstanden und Krankheiten behandelt werden können.

Innovative Kombination

Die Projektleiterin Prof. Dr. Kirsten Moselund (Paul Scherrer Institut PSI) möchte nun zusammen mit Dr. Moritz Kirschmann (CSEM) und Dr. Tobias Sjölander (Qnami) eine neue Generation von Magnet-Enzephalografie-Systemen entwickeln, die Quantensensoren und künstliche Intelligenz miteinander kombinieren.

Als Quantensensoren planen die Forschenden Diamanten mit Stickstoff-Vakanzzentren (NV-Zentren) einzusetzen. NV-Zentren entstehen, wenn ein Kohlenstoffatom im Kristallgitter des Diamanten durch ein Stickstoffatom ersetzt wird und an der benachbarten Gitterposition ein Kohlenstoffatom fehlt. In diesen Vakanzzentren kreisen einzelne Elektronen, deren Spin sich ändert, wenn sie einem elektrischen oder magnetischen Feld ausgesetzt sind. Die Elektronen können angeregt werden und senden dann einzelne Lichtteilchen (Photonen) aus, die Information über den Zustand des Spins liefern und damit Information über die elektrischen und magnetischen Felder liefern. Qnami hat diese Technologie bereits für materialwissenschaftliche Mikroskopieanwendungen kommerzialisiert. Das bestehende Produkt verwendet Sonden mit NV-Zentren, um über die Oberfläche von 2D-Materialien zu scannen und Magnetfelder auf der Nanoskala zu erfassen.

Die Magnetfelder des Gehirns sind allerdings sehr schwach und werden leicht durch Magnetfelder in der Umgebung gestört. Um das ehrgeizige Ziel zu erreichen, bündeln die Forschenden ihre interdisziplinären Kompetenzen. Sie nutzen die Nanofabrikationsanlage des PSI, um photonische Kristallstrukturen auf Diamantbasis herzustellen, die das Signal-Rausch-Verhältnis der von den NV-Zentren erzeugten Signale verbessern. Darüber hinaus plant das Team, das am CSEM vorhandene Fachwissen zu nutzen, um Algorithmen für das maschinelle Lernen zu entwickeln. So sollen die Daten verarbeitet werden können und schliesslich zur Rekonstruktion einer 3D-Gehirnaktivitätskarte mit hoher Genauigkeit und Robustheit führen.

Entscheidende Vorteile

Die geplanten Quantensensoren hätten gegenüber herkömmlichen Systemen grosse Vorteile. Sie können bei Raumtemperatur arbeiten und benötigen keine Kryogene. Zudem könnten sie Signale aus dem Gehirn messen, ohne dabei in einem magnetisch abgeschirmten Raum zu sein. Sie liessen sich in Kopfbedeckungen integrieren, könnten die Hirnaktivität auch bei verschiedenen Aktivitäten messen und wären auch für Kinder geeignet.

«Wir glauben, dass die NV-Diamant-Magnetometer aufgrund ihrer Robustheit, ihrer einfachen Logistik und hohen Empfindlichkeit den Biomagnetismus revolutionieren werden.»

Dr. Tobias Sjölander, Quantum Engineer bei Qnami AG

Im Nano-Argovia-Projekt SmartCoat untersuchen Forschende eine neuartige Methode, um spezifische Gene zu regulieren, die bei einigen Krebsarten stark aktiviert sind. Die Forschenden der Hochschule für Life Sciences FHNW, des Paul Scherrer Instituts PSI und des Industriepartners Palto Therapeutics setzen dazu proteinbasierte Nanopartikel ein, mit denen spezifische kurze RNA-Stücke (siRNA) transportiert werden. Die Nanopartikel gewährleisten zudem, dass die siRNA nur von anvisierten Krebszellen aufgenommen wird und dort die Genaktivität bestimmter Gene reduzieren kann.

Der Einsatz von siRNA (small interfering RNA) wird zurzeit als hochspezifische Methode entwickelt, um Krankheiten zu behandeln, die durch eine Überproduktion bestimmter Proteine gekennzeichnet sind.

Beim therapeutischen Einsatz von siRNA gibt es jedoch einige, teilweise bisher ungelöste Herausforderungen. Die siRNA muss zu und in die krankheitsrelevanten Zielzellen gelangen, ohne davor absorbiert, enzymatisch abgebaut oder ausgeschieden zu werden. Zudem sollten gesunde Zellen die siRNA nicht aufnehmen, um unerwünschte Nebenwirkungen zu vermeiden.

Mit Nanopartikeln in die Krebszellen

Das Team im Nano-Argovia-Projekt SmartCoat unter Leitung von Professor Dr. Johannes Mosbacher (FHNW) prüft nun einen neuartigen Ansatz, um siRNA stabil und gezielt in Zellen zu bringen, die bei verschiedenen aggressiven Tumorarten wie Eierstock- und Bauchspeicheldrüsenkrebs eine entscheidende Rolle für das unkontrollierte Tumorwachstum spielen.

Die Forschenden verwenden dazu biotechnologisch hergestellte proteinbasierte Nano-partikel, SmartCoats genannt, mit deren Hilfe die siRNA verabreicht werden soll.

Die SmartCoats fungieren als physikalische Barriere. Sie schützen die siRNA vor dem enzymatischen Abbau und vor Interaktionen mit Immunzellen. Ihr spezifisches Design gewährleistet zudem, dass die siRNA nur von anvisierten Krebszellen aufgenommen wird. Diese Krebszellen besitzen auf ihrer Oberfläche spezifische Strukturen (Rezeptoren), die eine Bindung und anschliessende Aufnahme der SmartCoat-siRNA-Komplexe in die Zelle ermöglichen. Auf diese Weise gelangen die RNA-Stücke nur in die krankheitsauslösenden Zellen und können dort ihre regulierende Wirkung entfalten.

Das Projektteam wird die SmartCoat-siRNA-Komplexe nach einer von Palto Therapeutics entwickelten Methode im Team von Professor Dr. Georg Lipps (FHNW) herstellen und anschliessend am PSI im Team von Dr. Roger Benoit strukturell und biophysikalisch charakterisieren, um ihre physiko-chemischen Eigenschaften und ihre Stabilität zu verbessern. Die Forschenden planen zudem mithilfe zellulärer, bildgebender in vitro-Tests die Optimierung der SmartCoat-siRNA-Komplexe. Die Forschenden von Palto Therapeutics werden basierend auf diesen Daten die Moleküle zu wirksamen Therapeutika weiterentwickeln.

«Die laufende Zusammenarbeit mit der FHNW und dem PSI ist ein wichtiger Eckpfeiler unserer Innovationsstrategie.» 

Dr. William L. Wishart, Director Palto Therapeutics AG