Jahresbericht. Angewandte Forschung und Entwicklung an der Schnittstelle von Bio- und Materialwissenschaften

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1 Jahresbericht 2005 Angewandte Forschung und Entwicklung an der Schnittstelle von Bio- und Materialwissenschaften

2 NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität Tübingen Markwiesenstraße Reutlingen Telefon: +49 (0) Telefax: +49 (0) Institutsleiter: Dr. Enzio Müller Telefon: +49 (0)

3 NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität Tübingen NMI Überblick Angewandte Forschung und Entwicklung an der Schnittstelle von Bio- und Materialwissenschaften Pharma und Biotechnologie Biomedizintechnik Oberflächen- und Grenzflächentechnologie

4 Das NMI im Überblick Inhaltsverzeichnis 2 NMI im Überblick 3 Vorwort 4 Kuratorium und Institutsleitung 5 Kernarbeitsgebiete 6 6 Jahre Wachstum 7 Steuerungsinstrumente 8 Vernetzung 9 Unternehmensgründungen 10 Patente 11 Öffentlichkeitsarbeit 12 Qualitätsmanagement 13 NMI Technologie Transfer GmbH 14 Pharma und Biotechnologie 16 Functional Genomics 16 Gentransfer und Zellfunktion 18 Molekulare Neurobiologie 19 Protein-Mikroarrays 21 Zellbiochips 22 Testsysteme zur Wirkstofffindung 22 Mikrosysteme und Nanotechnologie 23 Mikroelektroden-Array-Technologie 24 Elektrophysiologie an Geweben und Zellen 25 Charakterisierung von Ionenkanälen 26 Bioanalytik/Peptidsynthesen 26 Bioanalytik 27 Peptidsynthesen 28 Biomedizintechnik 30 Neurotechnologie und Mikromedizin 31 Retinaimplantate 32 Biohybride Neuroimplantate 32 BioFIB 33 Mikrosysteme für die Diagnostik 34 Regenerationsmedizin und Biomaterialien 34 Regeneration des Gelenkknorpels 36 Regeneration von Nerven 37 Biomaterialien für die Regenerationsmedizin 38 Entwicklung von Medizinprodukten 39 Oberflächenveredelung 39 Qualifizierung der Sauberkeit 40 Oberflächen- und Grenzflächentechnologie 42 Mikrosysteme und Nanotechnologie 44 Sensor-Arrays mit Mikro- und Nanoelektroden 46 Manipulation und Analyse im Nanokosmos 52 Mitarbeiter 53 Veröffentlichungen 55 Projekte 56 Abkürzungen 57 Anfahrtsbeschreibung 47 Funktionelle Oberflächen und Schichten 47 Grenzflächen und Mikrostrukturanalytik 48 Schichten 50 Kleb-, Haft- und Tribosysteme 50 Klebsysteme 51 Tribosysteme 4 NMI Jahresbericht 2005

5 Vorwort 20 Jahre NMI Am 18. Juni 1985 wurde das NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität Tübingen mit Sitz in Reutlingen gegründet. Das NMI ist eines von 11 wirtschaftsnahen Forschungseinrichtungen des Landes Baden-Württemberg. Unser Ziel ist, Ergebnisse der Grundlagenforschung aufzugreifen und sie bis zu einem Stand weiterzuentwickeln, der eine Umsetzung in die industrielle Praxis ermöglicht. Der Fokus unserer Forschungs- und Entwicklungsarbeiten ist die Schnittstelle zwischen technischen Materialien und lebender Materie. Das NMI ist Grenzgänger zwischen den Bio- und Materialwissenschaften. Wir bauen Brücken zwischen der Biomedizin/Biologie einerseits und Ingenieurwissenschaften/Physik andererseits. Auf den Gebieten der Nanobiotechnologie, der BioChip Technologie, der Mikrosensorik, der Grenzflächenanalytik und der regenerativen Medizin haben wir mit Entwicklungen, wie z.b. den Retinaimplantaten, die zu Produkten führten, einen international beachteten Ruf erworben. Das zur Gründung zukunftsweisender Konzepte, mit transdisziplinärer angewandter Forschung im Bereich Naturwissenschaften und Medizin Neues zu entdecken und dessen Potenzial industriellen Kunden zugänglich zu machen, ist mehr denn je aktuell. 13 Kompetenzteams mit 48 Physikern, Physikochemikern, Biophysikern, Biochemikern, Biologen und Ingenieuren pflegen ein Netzwerk mit zahlreichen Kliniken, Hochschulen und anderen Forschungseinrichtungen, um neue Produkte mit unseren industriellen Kunden zu entwickeln und damit deren Wettbewerbsfähigkeit zu stärken. In den vergangenen zwei Jahren haben wir Aufträge von über 230 kleinen und mittelständischen Unternehmen bearbeitet. Es wurde in 37 Verbundprojekten mit einem Gesamtvolumen von 70 Mio. Euro geforscht: 28 Mio. Euro wurden von Unternehmen getragen, 42 Mio. Euro wurden von Forschungsverbünden mit NMI-Beteiligung als Fördermittel eingeworben. Ein Vielfaches davon haben die Firmen nach erfolgreichem Abschluss der Projekte investiert, um die Entwicklung zur Marktreife zu führen. Seit 1996 sind aus dem NMI 10 Technologie-Unternehmen entstanden, die hochqualifizierte Arbeitsplätze geschaffen haben. Enzio Müller Institutsleiter Eine erfreuliche Bilanz für das Land Baden-Württemberg, das unsere Aktivitäten mit 1,5 Mio. Euro pro Jahr fördert. Wir danken im Namen unserer engagierten Mitarbeiter der Landesstiftung, der Politik, dem Wirtschaftsministerium, der Stadt Reutlingen, allen Freunden und Förderern des NMI, unseren Kuratoren und nicht zuletzt unseren Kunden für das entgegengebrachte Vertrauen. Mit Ihrer Unterstützung werden wir den erfolgreichen Weg des NMI fortsetzen, um unsere Mission zu erfüllen: Forschen für die Zukunft, Innovationen für Arbeitsplätze und nicht zuletzt Stärkung des wirtschaftlichen Standortes Baden-Württemberg. Hugo Hämmerle stellv. Institutsleiter Enzio Müller und Hugo Hämmerle. NMI Jahresbericht

6 Das NMI im Überblick Kuratorium und Institutsleitung Die Organe des NMI Das NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität Tübingen wurde 1985 als gemeinnützige Stiftung bürgerlichen Rechts gegründet. Stiftungszweck ist der Transfer von Ergebnissen der Grundlagenforschung in die Wirtschaft. Die NMI Stiftung betreibt das gleichnamige Institut, über dessen Aktivitäten berichtet wird. Vorstand der Stiftung und Institutsleiter ist Dr. Enzio Müller. Aufsichtsorgan der Stiftung ist ein Kuratorium. Das NMI ist wirtschaftlich und administrativ von der Universität Tübingen unabhängig. In zahlreichen Forschungsprojekten, in der Ausbildung von Diplomanden und Doktoranden sowie in Gremien wird eine intensive Zusammenarbeit gepflegt. Vorstand und Mitglieder des Kuratoriums zum 31. Dezember 2005: Vorstandsvorsitzender und Stellvertreter der Stiftung E. Müller, Ph.D.,Vorstandsvorsitzender Prof. Dr. H. Hämmerle, Erster stellvertretender Vorstandsvorsitzender Prof. Dr. D. Kern, Zweiter stellvertretender Vorstandsvorsitzender, Prorektor der Universität Tübingen Kuratorium Dr. F. Bullinger, Kuratoriumsvorsitzender bis , Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg Prof. Dr. K.-P. Jäckel, Kuratoriumsvorsitzender ab , BASF AG, Ludwigshafen Prof. Dr. H. Brunner, stellvertretender Kuratoriumsvorsitzender, Institutsleiter, Fraunhofer IGB, Stuttgart S. Dingfelder, Ministerium für Wissenschaft und Kunst, Baden-Württemberg Dr. W. Epp, IHK, Reutlingen Dr. F. Güntert, Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg Dr. S. Hock, ZF Friedrichshafen AG Prof. Dr. J. Löhn, Steinbeis-Stiftung für Wirtschaftsförderung, Regierungsbeauftragter für Technologietransfer des Wirtschaftsministeriums Baden- Württemberg Prof. Dr. G. Obieglo, Rektor, Hochschule Reutlingen B. Bosch, Oberbürgermeisterin der Stadt Reutlingen, vertreten durch P. Rist, Erster Bürgermeister Prof. Dr. Dr. h.c. E. Schaich, Universität Tübingen, vertreten durch Prof. Dr. T. Risler, Prorektor Prof. Dr. H.P. Rodemann, Universität Tübingen Dr. A. Siegel, Carl Zeiss AG, Oberkochen Dr. H. Stallforth, BIBraun Aesculap AG & Co KG, Tuttlingen Dr. J. Traber, Bayer AG, Leverkusen Prof. Dr. H. Weber, Universität Tübingen Prof. Dr. E. Zrenner, Universität Tübingen Die Institutsleitung des NMI ist erfreut über die positive Entwicklung, die das Institut in den letzten 6 Jahren genommen hat. Von links: Renate Roscher (Sekretärin), Enzio Müller (Institutsleiter), Hugo Hämmerle (stellvertretender Institutsleiter) und Ira Digel (Sekretärin). 6 NMI Jahresbericht 2005

7 Kernarbeitsgebiete Unsere 3 Kernarbeitsgebiete Der Fokus des NMI liegt auf den Branchen Pharma und Biotechnologie sowie Biomedizintechnik. Die Oberflächenund Grenzflächentechnologie besitzt eine Querschnittsfunktion und bildet die Grundlage der angewandten Forschung an der Schnittstelle von Bio- und Materialwissenschaften. Die Branche Pharma und Biotechnologie ist eine Hochtechnologiebranche mit jährlichen Investitionen von % des Umsatzes in die Forschung und Entwicklung. Weltweit geht der Trend zu immer größeren international agierenden Konzernen. Demgegenüber hat sich in Deutschland in den letzten 10 Jahren eine Biotechindustrie mit mehr als 300 überwiegend kleinen Unternehmen etabliert. Wir arbeiten im Verbund mit klinischen und universitären Arbeitsgruppen in zahlreichen Projekten mit internationalen Pharmaunternehmen, kleinen und mittelgroße Biotechunternehmen und Start-up-Unternehmen zusammen. Das Volumen der Forschungs- und Entwicklungsprojekte ist 2004/05 erneut gestiegen. Diese positive Entwicklung wurde zum Großteil durch die Entwicklung von Protein-Mikroarrays, Sensorarrays und Zellassays mit rekombinanten Zelllinien getragen. Unsere Projekte in der Elektrophysiologie und die Entwicklung weiterer Testsysteme zur Targetidentifizierung und Validierung in der Präklinik sollen zu einem stabilen Wachstum in der Zukunft beitragen. Die Biomedizintechnik hat verglichen mit den anderen Industriezweigen ein doppelt so hohes Wachstum. Motor ist die überdurchschnittliche Forschungsintensität von 8 % des Umsatzes. Mit einer Warenproduktion von 15 Mrd. Euro, einer Exportquote von über 50 %, sichert die Medizintechnik Arbeitsplätze in Deutschland und weist ein positives Beschäftigungssaldo auf. Wir sind auf Arbeitsgebieten tätig, die die Fortschrittsdimensionen Biologisierung und Miniaturisierung von Medizintechnik im Fokus haben. Die Oberflächen- und Grenzflächentechnologie hat einen starken Schwerpunkt in der Herstellung und Entwicklung von Nano- und Mikrosystemen für Biosensorik und Implantate. Das Wissen und die Erfahrungen unserer Mitarbeiter der Werkstoff- und Grenzflächenanalytik über die Prozesse, die sich an der Schnittstelle von Materialien und lebender Materie abspielen, sind eines unserer Alleinstellungsmerkmale. Unsere 3 Kernarbeitsgebiete Angewandte F&E Angewandte Forschung und Entwicklung an der Schnittstelle von Bio- und Materialwissenschaft Pharma und Biotechnologie Biomedizintechnik Oberflächen- und Grenzflächentechnologie Functional Genomics Neurotechnologie und Mikromedizin Mikrosysteme und Nanotechnologie Testsysteme zur Wirkstofffindung Regenerationsmedizin und Biomaterialien Funktionelle Oberflächen und Schichten Bioanalytik/ Peptidsynthesen Entwicklung von Medizinprodukten Kleb-, Haft- und Tribosysteme NMI Jahresbericht

8 Das NMI im Überblick 6 Jahre Wachstum Mio. e 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 3,8 0,9 1,4 1, Erlöse Industrie Erlöse aus öffentlichen Projekten Institutionelle Förderung Wirtschaftsministerium BW 4,3 1,3 1,5 1, ,3 2,2 1,6 1, Wachstum bei Industrieerlösen im 6. Jahr in Folge von 0,9 auf 3,5 Mio. Euro. 6,3 2,5 2,1 1,7 6,4 2,7 2,2 1, ,3 3,3 2,3 1, ,7 3,5 2,7 1, Das NMI konnte durch den Ausbau des Kundenstammes seine Industrieeinnahmen von 1999 bis 2005 um jahresdurchschnittlich 22 % steigern. Die Einnahmen aus Projekten des BMBF, der EU und des Landes Baden-Württemberg sind im selben Zeitraum durchschnittlich um jährlich 9,7 % gestiegen. Hinsichtlich der angespannten Situation der öffentlichen Haushalte ist dies ein erfreuliches Ergebnis. Bei den meisten Projekten handelt es sich um Verbundprojekte mit industriellen Partnern. Mio. e 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 Mio. e 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 2,3 0,5 0,8 1, Einnahmewachstum (ohne institutionelle Förderung) besonders ausgeprägt im Kernarbeitsgebiet der Pharma und Biotechnologie. 0,9 0,1 0,3 0,1 0, Oberflächen- und Grenzflächentechnologie Pharma und Biotechnologie 22% 35% 43% Biomedizintechnik 2,8 0,7 1, KMU in BW Großunternehmen in BW 1,3 0,1 0,4 0,1 0, % 36% 1,1 39% 3,8 1,1 29% 1,0 1, ,2 0,2 0,6 0,3 1, % 45% 4,6 1,0 22% 1,3 2, KMU außerhalb BW Großunternehmen außerhalb BW 2,5 0,1 0,7 0,2 1, Die NMI Dienstleistungen für kleine und mittelgroße Unternehmen (KMU) aus dem Land Baden- Württemberg (BW) konnten auch im Jahr 2004 und 2005 auf einem hohen Niveau gehalten werden. 28% 50% 5,0 1,2 1,2 2, ,8 0,1 1,0 0,5 1, % 24% 52% 5,5 1,2 1,3 3, ,3 0,2 1,2 0,6 1, % 24% 55% 6,2 1,5 1,4 3, ,5 0,3 1,1 0,7 1, % 23% 53% Das Wirtschaftsministerium Baden- Württemberg konnte die Förderung in einer Größenordnung von 1,5 Mio. Euro halten, obwohl hier relativ zu den Gesamteinnahmen eine weitere Abnahme von 24 % in 2003 auf 20 % in 2005 zu bedauern ist. Dies im Besonderen, weil die Förderung durch das Land Baden-Württemberg überwiegend zur Kostendeckung von Kleinstaufträgen für kleine und mittelgroße Unternehmen (KMU), zur Durchführung strategischer wirtschaftsnaher Forschung und für Investitionen eingesetzt wird. Im Jahr 2005 z.b. führte das Institut Aufträge mit einem Volumen von 1,1 Mio. Euro für KMU in Baden-Württemberg durch. Die Förderung des Instituts durch das Land Baden-Württemberg stellt somit eine wichtige Voraussetzung zur Erfüllung der Institutsaufgaben dar. 8 NMI Jahresbericht 2005

9 Steuerungsinstrumente Forschungsinstitut mit betriebswirtschaftlichen Steuerungsinstrumenten Ende 2005 hatte das NMI ca. 100 Mitarbeiter, das ergibt umgerechnet 70 Vollzeitäquivalenten (FTE). Der Institutsleitung berichten 13 Kompetenzteams. Sie werden jeweils von einem Teamleiter geführt, der eigene Verantwortung für Einnahmen und Ausgaben der Gruppe besitzt. Die Teamleiter stimmen sich in den 4 Bereichen Zellbiologie, Biochemie, Technische Physik/Biophysik und Beschichtungen/Analytik über ihre strategischen und operativen Ziele sowie organisatorische Belange ab. Durch die Matrixorganisation ist das NMI in der Lage, sich kompetent und effizient Projektaufgaben zu stellen, um unseren Kunden optimale Lösungen zu bieten. Dieses hohe Maß an Arbeitsteilung bedarf besonderer koordinativer Instrumente. Mit der Bereitstellung von Controllinginstrumenten, die laufend weiterentwickelt werden, und der Anwendung des QM-Systems, wird die Qualität und Effizienz im Interesse unserer Kunden gesteigert. Zufriedene Kunden ermöglichen unser nachhaltiges Wachstum. Die Bereiche und Kompetenzteams: Bereich Zellbiologie: Molekularbiologie PD Dr. Hansjürgen Volkmer, Biologe Neurobiologie Prof. Dr. Burkhard Schloßhauer, Biochemiker Zellbiologie Dr. Reinout Stoop, Biologe Elektrophysiologie Prof. Dr. Elke Guenther, Biologin Bereich Biochemie: Mikroarrays Dr. Thomas Joos, Biochemiker Assayentwicklung Dr. Markus Templin, Biologe Bioanalytik/Peptidsynthesen Dr. Dieter Stoll, Chemiker Zelluläre Testsysteme Dr. Brigitte Angres, Biologin Zahlen, Daten, Fakten - Service für externe und interne Kunden. Von links: Claudia Prax, Matthias Nützel, Günter Beck und Gabriele Fux. Bereich Technische Physik/Biophysik Biophysik Dr. Alfred Stett, Biophysiker Physikalische Technik Dr. Wilfried Nisch, Physiker Physikalische Chemie und Sensorik Dr. Martin Stelzle, Physiker Bereich Beschichtungen/Analytik Oberflächentechnologie Dr. Bernhard Schröder, Physikochemiker Grenzflächen- und Mikrostrukturanalytik Dipl.-Phys. Werner Dreher, Physiker Organisationsstruktur NMI Institutsleitung Müller/Hämmerle Querschnittsfunktionen Qualitätsmanagement Öffentlichkeitsarbeit Bereich Bereichsleiter Zellbiologie HJ. Volkmer Teamleiter HJ. Volkmer B. Schloßhauer R. Stoop E. Guenther Pharma und Biotechnologie Kernarbeitsgebiete Biomedizintechnik Oberflächen- und Grenzflächentechnologie Technische Dienste Rechnungswesen und Controlling Personal Patente, Vertragswesen Biochemie T. Joos Technische Physik/Biophysik A. Stett T. Joos M. Templin D. Stoll B. Angres A. Stett W. Nisch M. Stelzle Beschichtungen/ Analytik E. Müller W. Dreher B. Schröder NMI Jahresbericht

10 Das NMI im Überblick Vernetzung Erfolgreiche Forschung durch Vernetzung mit kompetenten Partnern Wir danken unseren Partnern an Universitäten, Hochschulen und Forschungsinstituten für die gute und fruchtbare Zusammenarbeit. Villingen-Schwenningen Universität zu Köln HMI-Berlin Die Lösung von komplexen Aufgaben erfordert Kooperationen mit kompetenten Partnern. Zu diesem Zweck gestalten wir Verbundprojekte, in denen wir mit außeruniversitären Forschungseinrichtungen, Fachhochschulen, Universitäten, Kliniken und Unternehmen mit komplementärem Know-how zusammenarbeiten, um möglichst vollständig die Wertschöpfungskette von der Grundlagenforschung bis zur Anwendung für unsere Kunden abzudecken. Universität Oldenburg Universitätsklinikum Ulm Ulm LMU München FH Albstadt Sigmaringen Friedrich Schiller Universität Jena Universität Leipzig Universitätsklinikum Regensburg Universität Oulu, Finnland FH IPM Freiburg Universitätsklinikum Würzburg Philipps-Universität Marburg Universität Regensburg FH Aalen Das NMI arbeitete in 2004/05 in 37 nationalen und internationalen Projekten mit über 110 Partnern zusammen. In 19 Projekten hatte das NMI die Federführung oder eine zentrale Funktion in der Projektkoordination. Es wurden Projekte mit einem Gesamtvolumen von ca. 70 Mio. Euro und 42 Mio. Euro öffentliche Förderung bearbeitet. Ein großer Teil dieser Projektmittel kommt unseren Partnern an Hochschulen und mittelständischen Unternehmen zugute. Das NMI koordiniert Kompetenznetze wie z.b. das Kompetenzcluster BioChip Technologien Baden Württemberg. Universität Bochum Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg Unversität Würzburg IMTEK Freiburg IMS Stuttgart Stiftung Orthopädische Universitätsklinik Heidelberg INI Hannover FH IPA Stuttgart 10 NMI Jahresbericht 2005

11 Unternehmensgründungen NMI Keimzelle für Unternehmensgründungen Technologieunternehmen im Hightechbereich entstehen dort, wo ein geeigneter Nährboden für Entrepreneure besteht. Das NMI konnte zahlreichen Jungunternehmen eine technologische Basis bieten und arbeitet mit ihnen in diversen Verbundprojekten. Die Unternehmen können in den ersten Jahren nach Gründung Räumlichkeiten, Gerätschaften und die Kompetenzen unserer Mitarbeiter nutzen, um ihre Risiken zu minimieren. Dieses so genannte Inkubatorkonzept hat sich in der Praxis bewährt. Weitere Standortfaktoren wie ein geeignetes Raumangebot, Beratungen, Netzwerkbildung und eine gelebte Existenzgründerszene haben sich durch das starke Engagement der Städte Reutlingen und Tübingen (Gründung des TTR-Technologieparks Tübingen- Reutlingen), der BioRegio STERN*, der Biopro Baden Württemberg, der Attempto Service GmbH, der Universität Tübingen mit dem Programm Existenzgründung auf dem Campus und der IHK verbessern lassen. Das NMI mit seinem Inkubatorkonzept ist für die BioRegio STERN* enorm wichtig. Wissenschaftliche Leistungen werden gezielt in wirtschaftliche Impulse umgewandelt. Das belegen auch die zahlreichen Firmengründungen aus dem NMI, die sich sehr erfolgreich am Markt behaupten. Dr. Klaus Eichenberg, Geschäftsführer der BioRegio STERN* Management GmbH *STERN Stuttgart, Tübingen, Esslingen, Reutlingen, Neckar-Alb. Inkubator für Unternehmensgründung Das jüngste Unternehmen, das im Umfeld des NMIs gegründet wurde, ist die Retina Implant GmbH. Mit Unterstützung des BMBF wurden die Grundlagen erforscht und damit der Grundstein des Unternehmens gelegt. An der Entwicklung beteiligt waren die Uni-Augenkliniken Tübingen und Regensburg, die Universität Stuttgart- Hohenheim sowie das Institut für Mikroelektronik (Stuttgart). accelab NMI TT GmbH Einige Stimmen zur Rolle des NMIs als Inkubator: Im Jahr 2003 wurde die Firma Retina Implant als Aktiengesellschaft gegründet, um die klinische Prüfung, Herstellung und Zulassung des Retina Implantates zu betreiben. Dabei war das NMI ein idealer Inkubator, um einen Prototypen zu entwickeln und Geld einzuwerben. Mit Mut, Risikobereitschaft und Wissen haben engagierte Forscher Technologien aufgegriffen und Unternehmen gegründet. Diese Unternehmen entstanden im technologischen Umfeld des NMI. Einige entstanden aus Verbundprojekten mit der Universität Tübingen. Mit fast allen Unternehmen bestehen intensive Kooperationen. Reinhard Rubow, Finanzvorstand der Retina Implant GmbH NMI Jahresbericht 2002/03 11

12 Das NMI im Überblick Patente Patente geistiges Eigentum zum Schutz von Innovationen Baden-Württemberg meldet pro Kopf die meisten Patente an. Dazu die Stuttgarter Nachrichten vom : Das Kopf-an-Kopf-Rennen zwischen Bayern und Baden-Württemberg bei den Patentanmeldungen hält an: Mit Patentanmeldungen liegt Bayern in absoluten Zahlen auf Platz eins vor Baden-Württemberg mit und Nordrhein-Westfalen mit Bei den Anmeldungen je Einwohner rangiert dagegen Baden-Württemberg (122) noch vor Bayern (116). Deutsche Unternehmen, Hochschulen und Einzelerfinder haben 2004 demnach Patente angemeldet rund mehr als im Vorjahr. Bayern, Baden-Württemberg und Nordrhein- Westfalen haben dabei die Nase vorn. Aus diesen Ländern kommen gut zwei Drittel aller Patentanmeldungen. Die deutschen Erfinder und die deutsche Industrie sind also durchaus innovativ, auch wenn manchmal das Gegenteil behauptet wird, betonte Jürgen Schade, Präsident vom Deutschen Patent- und Markenamt (DPMA), München. In den Datenbanken des Deutschen Patent- und Markenamtes und des Europäischen Patentamtes ep.espacenet.com können die aktuellen Schutzrechte des NMI recherchiert werden. Das NMI ist mit 48 Patentfamilien dabei. Die Bedeutung von Patenten, Gebrauchsmustern, Markenrechten und Know-how kurz geistiges Eigentum oder Intellectual Property (IP) steht für die Zukunftssicherung des Standorts Deutschland außer Frage. Eine Wissensgesellschaft muss in die Forschung, Innovation und die Pflege des IP Portfolios investieren. Das NMI betreibt seit 1998 eine systematische Pflege des Patentportfolios. Von ca. 30 in den letzten 6 Jahren angemeldeten Patenten wurden bereits 21 erteilt. Die Verwertung der Patente wird von der NMI Technologietransfer GmbH, einer 100%ige Tochter der Stiftung NMI, betrieben. Ein Teil der Patente wurde Spin-off-Firmen als Mitgift zur Sicherstellung der Finanzierung übertragen. Für viele unserer Kunden ist die Möglichkeit des Erwerbs von Lizenzen ein wichtiges Argument für eine Zusammenarbeit mit dem NMI. 12 NMI Jahresbericht 2005

13 Öffentlichkeitsarbeit Das NMI ist auf zahlreichen Fachmessen, auf Wissenschaftskongressen, durch Artikel in Fachzeitschriften sowie in der Presse präsent. Die wirkungsvollste Werbung ist jedoch die Zufriedenheit unserer Kunden, die unsere Leistungen hoch einschätzen und uns weiterempfehlen. Eine von uns im Jahr 2005 durchgeführte Befragung von Kunden ergab ein überzeugendes, positives Echo. 90 % waren mit unseren Leistungen, wie z.b. Fachkompetenz, Angebot, Auftragsbearbeitung und Berichterstattung, sehr zufrieden. Wir danken unseren Kunden für ihr Vertrauen und können, dank ihrer Hilfe, unsere Leistungen weiter verbessern. Dr. Enzio Müller, Institutsleiter Internationale wissenschaftliche Reputation ist im hart umkämpften Markt der Dienstleistungen in Forschung und Entwicklung heute nicht genug. Ideen, Aktivitäten, Ergebnisse und Erfolge müssen bekannt gemacht werden, um das Interesse von Unternehmen zu wecken. Internet Internetdatenbank Im Rahmen des Kompetenzclusters BioChip Technologien Baden-Württemberg wurde eine öffentlich zugängliche Datenbank eingerichtet. Im Jahr 2005 konnten bis zu Zugriffe pro Monat von Nutzern aus allen Industrienationen verzeichnet werden. Filmberichte und Interviews Printmedien: Imagebroschüre; Jahresbericht; Produktblätter zu allen Produkten und Projekten; Pressemitteilungen wissenschaftliche Publikationen, Artikel und Einträge in Broschüren und Fachzeitschriften, wie z.b. Vertragsforschung in Baden-Württemberg 2005, Screening, BioSpektrum, Transkript, Anzeigen Aussteller auf Fachmessen, z.b. Analytica München, Biotechnica Hannover, IHK-Veranstaltungen, Medica Düsseldorf, MEDTEC Stuttgart, PCR Paris, Bio San Francisco Organisation und Durchführung von Seminaren, Kongressen (MEA- Meeting), Workshops (NanoVirDetect, Proteomics, Endreinigung-Technologien,..) am NMI Fachvorträge und Posterpräsentationen auf jährlich etwa 80 nationalen und internationalen Kongressen Lehrtätigkeiten an der Universität Tübingen, Graduate School of Neural and Behaviourial Sciences der Universität Tübingen, Fachhochschule Sigmaringen Ausbildung von Diplomanden und Doktoranden, Laborführungen, Bereitstellung von Praktikumsplätzen für Schüler Ansprechpartner: Dr. Nadja Gugeler Telefon: gugeler@nmi.de Nadja Gugeler ist am NMI für die Öffentlichkeitsarbeit zuständig. NMI Jahresbericht

14 Das NMI im Überblick Qualitätsmanagement Wir sehen unser Qualitätsmanagement als Basis zur Erbringung unserer Leistungen sowohl in Forschung und Entwicklung als auch in unserem Prüflabor. Daher werden wir unser System nicht nur aufrechterhalten, sondern aktiv gestalten und nutzen, sodass wir unsere Arbeitsabläufe wo nötig weiter verbessern und Fehler frühzeitig erkennen können. Die regelmäßigen Auditierungen ermöglichen es uns, viele Fehlerquellen im Vorfeld zu identifizieren und geeignete Maßnahmen rechtzeitig zu ergreifen. Unser Ziel ist es, mithilfe aller zur Verfügung stehenden Möglichkeiten des Qualitätsmanagementsystems die Optimierung unserer Abläufe voranzubringen und unsere Leistungen kritisch zu beurteilen und darauf basierend weiterzuentwickeln. Qualitätsmanagement Mission Statement Für unsere Kunden führen wir Prüfungen in akkreditierten Bereichen nach DIN EN ISO/IEC durch. Untersuchungen an organischen und anorganischen Oberflächen (z.b. Metalle, Halbleiter, Legierungen, Glas und Keramik für die Medizintechnik) mittels spektroskopischer und elektronenmikroskopischer Methoden; ausgewählte elektrochemische Untersuchungen in wässrigen Lösungen. Unser QM erfüllt die Anforderungen der ISO 9001:2000 DAR Urkunde: Die Akkreditierung zeigt die technische Kompetenz für den definierten Geltungsbereich. Sie bestätigt, dass das Laboratorium ein Qualitätsmanagementsystem aufweist, das die Grundsätze von ISO 9001:2000 erfüllt und mit allen relevanten Anforderungen dieser Norm übereinstimmt. DAP-PL NMI Jahresbericht 2005

15 NMI Technologie Transfer GmbH NMI Technologie Transfer GmbH verwertet NMI Know-how Die Nachfrage nach Produkten und Dienstleistungen, die durch das NMI entwickelt wurden, kann das Institut mit seinen Forschungsstrukturen nur eingeschränkt befriedigen. Von der NMI Technologie Transfer GmbH werden Leistungen und Produkte angeboten, die Marktreife erreicht haben. Hohe Qualitätsstandards zu Marktpreisen zeichnen die Angebote der NMI Technologie Transfer GmbH aus. Die NMI Technologie Transfer GmbH ist eine 100%ige Tochter des NMI und verwertet NMI Know-how: Auftragssynthesen von Peptiden Beschichtungen Bio- und Wirkstoffanalytik Beratungsdienstleistungen Informationsdienste/Datenbanken Patentverwertung siehe: Auftragssynthesen Kundenspezifische Peptide für die Forschung Wir haben mehr als 10 Jahre Erfahrung in der multiplen Peptidsynthese und bieten für Projekte eine eingehende, individuell auf Fragestellungen zugeschnittene Beratung. Die modern ausgestatteten Synthese- und Analyselabors ermöglichen es uns, Peptide schnell und in bester Qualität zu günstigen Preisen herzustellen und zu liefern. NMI TT GmbH bietet: Einzelpeptide Multiple Peptidkollektionen Peptidpools Kombinatorische Peptidbibliotheken Peptid-Mikroarrays mit allen synthetisch möglichen Modifikationen wie z.b. Phosphopeptide, Lipopeptide, Cyclopeptide, verzweigte Peptide, markierte Peptide (Biotin, Fluorophore, etc.) Peptide für Anwendungen im Bereich: Zellassays Enzymassays (z.b. FRET) Epitopmapping Immunisierungen Oberflächenmodifikationen Beschichtungen Die NMI TT GmbH beschichtet unter Reinraumbedingungen implantierbare Medizinprodukte mit diamantartigem Kohlenstoff und Polymeren. Bio- und Wirkstoffanalytik Protein-, Lipid- und Wirkstoffanalytik wie z.b. Identifizierung posttranslationaler Modifikationen (Glyko-, Lipo-, Phospho-) Massenspektrometrische Proteinidentifizierung (Gelbanden, etc.) Bestimmung chemischer Markierungen/ Modifikationen in Proteinen Edman Abbau zur Proteinsequenzierung MALDI TOF Massenspektrometrie synthetischer Oligonucleotide Untersuchungen zur Stabilität von Wirkstoffen und Biomolekülen (Proteine, Peptide..) Quantifizierung und Identifizierung von Phosphatidylcholinen Quantifizierung und Identifizierung von Wirkstoffen und Metaboliten Protein Profiling Service zur parallelen Bestimmung der Proteinexpression in einer Vielzahl von Proben. Zur Analyse von geringstem Ausgangsmaterial setzen wir unsere Reverse Phase Array (RPA) Plattform ein, die das Testen der Wirkeffizienz von Substanzen in der frühen pharmazeutischen Forschung, der präklinischen Entwicklung und der klinischen Forschung ermöglichen. Beratungsdienstleistungen Umfassende Beratungen zum Thema BioChip und Mikroarray Technologien, Marktübersicht, who is who, Produktpipelines. Die Beratung ist unabhängig und hat zum Ziel, die besten Lösungen für das kundenspezifische Umfeld zu identifizieren. Informationsdienste/Datenbanken BioChipNet, ist die weltweit führende Informationsplattform über BioChip und Mikroarray Technologien mit bis zu Zugriffen pro Monat. Die Datenbank wird laufend von Dr. Jutta Bachmann aktualisiert. Ein monatlicher Newsletter ergänzt den Informationsdienst. Patentverwertung Identifizierung von Lizenznehmern für NMI Patente. NMI Jahresbericht

16 Pharma und Biotechnologie Das NMI entwickelt mit Unternehmen der Pharmaindustrie und Biotechnologie innovative Verfahren und Systemlösungen für die Wirkstoffentwicklung. Mit der Veröffentlichung der fast vollständigen Sequenzen des menschlichen Genoms wurde ein Meilenstein in der modernen Biologie erreicht. Für die forschende pharmazeutische Industrie ergeben sich daraus vielfältige Möglichkeiten, aus den genomischen Sequenzen spezifische biologische Zielmoleküle (Targets) zu entdecken und neue Wirkstoffe für die Behandlungen von Krankheiten zu entwickeln. Im Mittelpunkt der postgenomischen Forschung steht die Aufklärung der Strukturen und Funktionen der durch die Gene kodierten Proteine (Proteom) und insbesondere ihre Beteiligung an pathologischen Prozessen. Aus Sicht der BIOPRO Baden-Württemberg GmbH ist das NMI eines der Schlüsselinstitute zur erfolgreichen industriellen Implementation der modernen Biotechnologie im Verbund mit anderen Technologiefeldern in Baden-Württemberg. Im Bereich des Tissue Engineering, der BioChip Technologien, des Retina-Implantats und der Mikroelektroden Arrays als einige wenige Beispiele ist Richtungsweisendes am NMI geschaffen worden. Wir freuen uns auf die spannende weitere Zusammenarbeit mit dem NMI. Wir arbeiten auf den Gebieten: Functional Genomics Testsysteme zur Wirkstofffindung Bioanalytik/Peptidsynthesen Wir entwickeln: Zelluläre Testsysteme Gentransfersysteme Protein-Detektionssysteme Protein-Mikroarrays Elektrophysiologische Testmethoden Technologien zur Analytik und Synthese von niedermolekularen Substanzen Dr. Ralf Kindervater, Geschäftsführer, BIOPRO Baden-Württemberg GmbH In unserem Kernarbeitsgebiet Pharma und Biotechnologie entwickeln wir mit diesen Unternehmen: Abbott Laboratories, Illinois/USA Accelab GmbH, Kusterdingen Advalytix AG, Brunnthal Alopex GmbH, Kulmbach Altana Pharma AG, Konstanz Bachmann Consulting, Nesoddtangen/ Norwegen Bayer AG, Leverkusen Biopharm GmbH, Heidelberg BMI Biomedical Informatics, Heidelberg Boehringer Ingelheim GmbH & Co.KG, Ingelheim Cytocentrics CCS AG, Reutlingen

17 Functional Genomics Testsysteme zur Wirkstofffindung Bioanalytik/Peptidsynthesen Expression und Funktion von Genen Gentransfer und Zellfunktion Virale Vektoren schleusen Gensequenzen in Zellen ein. Die dadurch induzierte Überexpression oder Inhibition von Proteinen ermöglicht Rückschlüsse auf die Bedeutung der Gene im zellulären Kontext (Seite 16). Molekulare Neurobiologie Im Zentrum der Arbeiten stehen neuronale Proteine, die die Verschaltung und Synapsenbildung im Nervensystem steuern. Das Verständnis dieser Mechanismen trägt dazu bei, neue Therapieansätze für Erkrankungen des Nervensystems zu finden (Seite 18). Protein-Mikroarrays Protein-Mikroarrays sind miniaturisierte und parallelisierte Analysesysteme, die es ermöglichen, eine Vielzahl von biologisch bedeutenden Molekülen gleichzeitig aus geringsten Probenmengen zu detektieren (Seite 19). Zellbiochips Das Verhalten von Zellen wird durch die extrazelluläre Matrix beeinflusst. Ein von uns entwickeltes Multiple Substrate Array (MSA TM ) ermöglicht ein Screening von Zell-Matrix-Interaktionen (Seite 21). Entwicklung und Anwendung automatisierter Verfahren Mikrosystemtechnische Lösungen Wir entwickeln mikrosystemtechnische Lösungen, die Analysen elektrophysiologischer Prozesse effizienter machen. Paradebeispiele sind Mikroelektroden Arrays (MEA), das Cytocentering Verfahren für automatisiertes Patch- Clamping und Nanoelektroden zum hochsensitiven elektrochemischen Nachweis von DNA und Proteinen (Seite 22). Wirkstofftests mit Zell- und Gewebepräparaten Untersuchungen der Basisvorgänge elektrischer Aktivität in Herz- und Nervenzellpräparaten und deren pharmakologische Beeinflussung (Seite 24). Wirkstofftests an Ionenkanälen Patch-Clamp Untersuchungen an Primärzellen oder Zelllinien werden durchgeführt, um unerwünschte Nebenwirkungen von Medikamenten auf Ionenkanäle, wie z.b. den herg Kaliumkanal zu analysieren. Automatisierte Untersuchungen von Ionenkanalaktivitäten an Oozyten des Krallenfrosches mittels eines Roboters (Seite 25). Kundenspezifische Lösungen mit hohem Qualitätsanspruch Bioanalytik Hoch sensitive und selektive Analyseverfahren für die Forschung und Qualitätskontrolle sind apparativ aufwändig und erfordern große Erfahrung. Das NMI bietet Projektpartnern und Kunden problemorientierte Lösungen an (Seite 26). Peptidsynthesen Peptide werden bei vielfältigsten Fragestellungen in der klinischen Medizin und Forschung eingesetzt. Wir bieten unser Know-how für die Assayentwicklung, Immunisierung, das Epitopmapping und die Funktionalisierung von Oberflächen und Biomaterialien an (Seite 27). Diagno Swiss, Monthey/Schweiz Grünenthal GmbH, Aachen Hoffman - La Roche AG, Schweiz Ingenium Pharmaceuticals AG, Martinsried/Planegg Invitrogen Corporation, Carlsbad, CA/USA Luminex Corp., Austin/USA Merck KgaA, Darmstadt Merz Pharma GmbH & Co. KgaA, Frankfurt MorphoSys AG, Martinsried/Planegg mphasys GmbH, Tübingen Multi Channel Systems MCS GmbH, Reutlingen N-Zyme BioTec GmbH, Darmstadt ProQinase GmbH, Freiburg sanofi-aventis, Frankfurt Schering AG, Berlin Servier Inc., Neuilli-Sur-Seine Cedex/Frankreich TaiMont Biotech Inc., Tainan/Taiwan UniLever, Vlaardingen/Holland Zeptosens AG, Witterswil/Schweiz NMI Jahresbericht

18 Pharma und Biotechnologie Functional Genomics Gentransfer und Zellfunktion Ansprechpartner: PD Dr. Hansjürgen Volkmer Telefon: Dr. Frank Weise Telefon: Transgene Zellen ein Ausgangspunkt in der Pharmaentwicklung Zur Targetidentifizierung und -validierung werden in der Pharmaentwicklung transgene Zellen eingesetzt. Aus der vergleichenden Analyse des Genoms kranker und gesunder Menschen werden Nukleinsäuresequenzen identifiziert und mit viralen Vektoren in Zellen geschleust, um ausgewählte Proteine in primären oder permanenten Zelllinien stabil oder transient zu exprimieren. Mittels sirna kann die Expression spezifischer Proteine unterdrückt werden. Funktionelle Analysen können nach Expression oder Inhibition der Proteine (Targets) im zellulären Kontext durchgeführt werden. Derartig manipulierte Zellen werden zur Untersuchung der Rolle einzelner Gene bzw. Proteine für das Krankheitsgeschehen herangezogen. Die rekombinante Expression bzw. die erfolgreiche Inhibierung von relevanten Genen und damit verbundene Testsysteme sind eine Voraussetzung für die funktionelle Charakterisierung von Targetproteinen. Unser breites Spektrum an verschiedenen viralen und nichtviralen Gentransfersystemen ermöglicht uns, auch schwierige Zelltypen zu nutzen und Studien in relevanten Systemen durchzuführen. Unser Know-how lassen wir auch in die Entwicklung neuer Methoden einfließen, um die Leistungsfähigkeit zellulärer Assaysysteme zu erhöhen. PD Dr. Hansjürgen Volkmer, Leiter Molekularbiologie Von links: Hansjürgen Volkmer, Martin Kriebel, Angelika Oehmig und Sabine Sturany. 18 NMI Jahresbericht 2005

19 Neuartiger BioChip entwickelt Das NMI entwickelt einen neuartigen BioChip, der für die Analyse von tumorrelevanten Proteinen geeignet ist. Bei diesen Proteinen handelt es sich um Kinasen, also Enzyme, die bei der intrazellulären Kommunikation, Regulation und Signalübertragung eine wichtige Rolle spielen. Fehlfunktionen solcher Enzyme können oft zu unkontrolliertem Zellwachstum und daher zu Tumoren führen. Zur Charakterisierung dieser Enzyme wird die Expression der Kinasen durch sogenannte sirna spezifisch inhibiert. Um alle bekannten menschlichen Kinasen bearbeiten zu können, müssen Verfahren für die parallele Untersuchung dieser Komponenten entwickelt werden. Hier bietet sich das Mikroarray an, also ein Trägersystem, auf dem eine große Zahl biologischer oder biochemischer Tests auf kleinstem, oft nur fingernagelgroßem Raum angeordnet werden kann. Dazu werden für sirna kodierende Adenoviren auf den BioChip aufgedruckt und anschließend Zellen darauf angesiedelt. Nach der Infektion der Zellen durch die Adenoviren wird die spezifische sirna exprimiert und als Folge davon das entsprechende Protein nicht mehr synthetisiert. Durch dieses zum Patent angemeldete System können die Effekte eines Knock-down vieler hundert Kinasen gleichzeitig auf einem BioChip getestet werden. Diese Entwicklung (1) wird im Verbund mit den Partnern MorphoSys AG (Abtlg. Antibodies-by-Design) und KTB Tumorforschungs GmbH/ProQinase durchgeführt. Für die Etablierung eines Komplettsystems steuert das NMI sein Know-how zu adenoviralen Expressionssystemen und zur sirna Knock-down Technologie bei, während MorphoSys AG kinasespezifische Antikörper generiert. ProQinase validiert in Tumorzellsystemen sowohl die Antikörper als auch die Knock-down Konstrukte. Hansjürgen Volkmer, Bereichsleiter Zellbiologie. (1) FKZ C Auf dem sogenannten ASK-Chip werden verschiedene sirna kodierende Adenoviren in Array-Anordnung als Punkte aufgedruckt und mit Zellen besiedelt. Ein solcher Punkt mit rekombinanten Adenoviren ist unter (A) dargestellt. Die hier verwendeten Adenoviren übertragen das Gen für ein fluoreszentes Protein, das in den gleichen Zellen nach UV-Anregung zu sehen ist (B). (A) (B) NMI Jahresbericht

20 Pharma und Biotechnologie Functional Genomics Molekulare Neurobiologie Lernen Gedächtnis Promemoria Im Zentrum unserer Arbeiten stehen Zelladhäsionsmoleküle, die eine Schlüsselrolle bei Lern- und Gedächtnisvorgängen spielen. Sie sind im gesamten Nervensystem weit verbreitet und damit ein optimales Ziel für die Arzneimittelentwicklung zur Behandlung der Alzheimer schen Erkrankung. In der Abteilung Molekularbiologie am NMI werden molekularbiologische Methoden eingesetzt, um grundlegenden Mechanismen der Gedächtnisbildung auf die Spur zu kommen. Zum Beispiel werden lentivirale shrna-vektoren entwickelt, um die Expression von Rezeptoren in Neuronen zu unterdrücken. Diese Vektoren können auch in Tiermodellen eingesetzt werden. Wir arbeiten gemeinsam mit 17 Partnern aus 11 verschiedenen Ländern in dem Projekt Promemoria (1), das die Europäische Union mit insgesamt 9,7 Mio. Euro über einen Zeitraum von 4 Jahren fördert. Ziel der Forschungen ist die Untersuchung von Gedächtnisbildung und die Entwicklung neuer Therapien für Gedächtnisstörungen, wie sie z.b. bei der Alzheimer schen Erkrankung auftreten. Das Projekt wird von Prof. Elizabeth Bock, Kopenhagen, koordiniert. PD Dr. Hansjürgen Volkmer, Leiter der Molekularbiologie Rekombinante Proteine für die Regeneration im Nervensystem In Kooperation mit der Fa. Biopharm GmbH, Heidelberg, der FU Berlin und der Universität in Würzburg wird ein synthetisches Implantat zur Verbesserung der Regeneration im peripheren Nervensystem entwickelt. Am NMI werden dazu rekombinante Proteine hergestellt und für das Implantat optimiert. Wachstumsverhalten und intrazelluläre Signalkaskaden von Neuronen werden in Gegenwart rekombinanter Faktoren untersucht, um ein optimales Längenwachstum von Nervenfasern zu bewirken. Eine spezifische Mischung aus neuronalen Zelloberflächenproteinen und GDF-5 konnte erfolgreich getestet werden. In einer weiteren Projektphase werden die Faktoren durch Mutagenese weiter verbessert und an Implantatoberflächen gekoppelt (2,3). Ansprechpartner: PD Dr. Hansjürgen Volkmer Telefon: volkmer@nmi.de (1) FKZ LSHM-CT (2) FKZ (3) FKZ (4) FKZ Pruss et al,. (2004) Pruss et al,. (2006) Niere et al,. (2006) Immortalisierte neuronale Vorläuferzellen In der Nase befindet sich das Riechepithel, in dem ein Leben lang neue Nervenzellen gebildet werden. Das Riechepithel ist damit die reichhaltigste Quelle für neuronale Stammzellen, aus denen auch beim erwachsenen Menschen laufend Nervenzellen gebildet werden. Im Rahmen des deutschisraelischen Projekts (4) mit NVR Labs Inc., Israel werden diese Zellen isoliert, teilweise gentechnisch verändert und mit rekombinanten Adhäsionsmolekülen vermischt, um dadurch Implantate für Querschnittsgelähmte herzustellen. Der Vorteil des Ansatzes besteht u.a. darin, dass sich die Zellen relativ leicht aus der Nase isolieren lassen. Besonderes Interesse hat das NMI an einem zweiten Aspekt. Humane Stammzellen, die sich in der Kulturschale zu Nervenzellen entwickeln können, sind auch für die Entwicklung von Medikamenten von großer Bedeutung. Entsprechend wird parallel untersucht, wie sich die Zellen als Testsystem für die pharmazeutische Industrie einsetzen lassen. Ansprechpartner: Prof. Dr. Burkhard Schloßhauer Telefon: schlosshauer@nmi.de Nervenzellen aus dem Gehirn der Ratte behalten in Kultur Eigenschaften, die sie auch im nativen Gewebe haben. Mit einer spezifischen Färbung werden Dendriten (Grün) und Axone (Rot) sichtbar gemacht. 20 NMI Jahresbericht 2005

21 Protein-Mikroarrays Von der Technologie zur Anwendung Protein-Mikroarrays sind als miniaturisierte und parallelisierte Analysesysteme in der Lage, eine Vielzahl von biologisch bedeutsamen Molekülen gleichzeitig zu detektieren. Hierbei sind die Messpunkte entweder in einem Array von Minispots auf speziell beschichteten Trägern aufgebracht, oder es werden Suspensionsarrays eingesetzt, bei denen jeder Analyt auf unterschiedlich kodierten Kügelchen (Mikrospheren) vermessen werden kann. Die Bindung der Analyten erfolgt unter kontrollierten Bedingungen, sodass die gebundenen Moleküle quantitativ ausgelesen werden können. Protein-Mikroarrays werden mittlerweile routinemäßig in der Forschung eingesetzt, und erste diagnostische multiplexe Assays sind kommerziell erhältlich. Proteinarrays sind von besonderem Interesse in den Bereichen, bei denen aus kleinsten Probemengen eine große Anzahl von Proteinen bestimmt werden soll. Nachdem Technologieentwicklungen in den letzten Jahren das Mikroarraythema dominierten, rücken nun Applikationen immer stärker in den Vordergrund. Protein-Mikroarrays haben bereits einen festen Platz in der Grundlagen- und angewandten Forschung eingenommen. Dies ist auch an den Zugriffen auf unsere Datenbank BioChipNet zu erkennen. BioChipNet informiert umfassend zum Thema Mikroarraytechnologie. Alle relevanten Pressemitteilungen, Anbieter, Technologien, Applikationen, Publikationen, Konferenzen und Patente sind in kurzer prägnanter Form aufgelistet. Die Datenbank wird von uns zusammen mit der Infobrokerin Dr. Jutta Bachmann (Oslo, Norwegen) ständig aktualisiert und weiterentwickelt. Sie hat sich zu einer der weltweit führenden Informationsquellen über BioChip Technologien entwickelt. NMI Pionier bei Protein-BioChips Zum Nachweis von Autoimmunkrankheiten können Autoantikörper im Blut von Patienten nachgewiesen werden. Mit Protein-Mikroarrays (BioChips) können Autoantikörper mit der gleichen Empfindlichkeit, bei wesentlich geringeren Mitteln an Einsatzstoffen als mit der konventionellen ELISA-Technik nachgewiesen werden. Mittlerweile erstreckt sich das Einsatzgebiet der BioChips in der Laboranalytik nicht nur auf den Nachweis von Autoantikörpern, sondern auch auf Signalmoleküle wie Zytokine und viele andere Proteinmarker für Differenzierungsmuster (Proteom-Forschung) (1,2). Wir haben uns frühzeitig für zwei technologisch ausgereifte Plattformen entschieden: die Bead-basierte Luminextechnologie, eine flexible und durchsatzfähige Technologie, die für ein breites Spektrum von Applikationen wie Proteinexpression und Proteinfunktionsanalyse eingesetzt werden kann. Die von der Firma Zeptosens entwickelte planare Wellenleitertechnologie ermöglicht mit so genannten reversen Proteinarrays eine Analyse der Proteinexpression aus Gewebe- und Zelllysaten. Nach wie vor, beobachten und bewerten wir neue Entwicklungen zum Thema Mikroarraytechnologie. Dr. Thomas Joos, Leiter der Biochemie Ansprechpartner: Dr. Thomas Joos Telefon: Dr. Markus Templin Telefon: Thomas Joos, Bereichsleiter Biochemie. (1) FKZ 16SV1769 (2) FKZ A Templin et al. (2004) Poetz et al. (2005) NMI Jahresbericht

22 Pharma und Biotechnologie Functional Genomics Ansprechpartner: Dr. Markus Templin Telefon: Markus Templin, Leiter Assayentwicklung. (1) FKZ NMP4-CT (2) FKZ (3) FKZ (4) Templin et al. (2004) (5) Kramer et al. (2005) Assayentwicklung In den letzten Jahren konnten wir modernste Mikroarraylabors einrichten. Dies wurde möglich durch starke Partner in der Industrie, insbesondere aber auch durch die Unterstützung in öffentlich geförderten Forschungsprogrammen. Heute sind wir in der Lage, auf Grund unserer Technologien und unseres Know-hows, optimale Verfahren für unsere Kunden zu entwickeln. Dr. Markus Templin, Leiter Assayentwicklung Das NMI hat in den letzten zwei Jahren neueste Technologien evaluiert und aufbauend auf diesem Know-how eine robuste, miniaturisierte Proteinanalytik für Applikationen in der funktionellen Genomik entwickelt (1,2,3). Ziel der Entwicklungen war der Aufbau von Protein Profiling Systemen, die mit multiplexen Analysen den sensitiven Nachweis einer Vielzahl von interessanten Markerproteinen erlauben. Anwendungsgebiete liegen in der Identifizierung von Biomarkern, aber auch in der Charakterisierung von Serum- oder Gewebeproben in der präklinischen Entwicklung (4,5). So können wir über 50 Parameter aus Probenmengen von wenigen Zellen quantitativ nachweisen. Dies geschieht zum einen mittels paralleler Immunoassays auf Basis von Bead-basierenden Mikroarrays. Vergleichende, multi-parallele Untersuchungen von mehreren 100 Proben - vorwiegend Extrakte behandelter Zellkulturen oder von gesundem und krankem Gewebe - werden zum anderen durch Reverse Phase Protein-Mikroarrays durchgeführt. Diese wurden in Anlehnung an konventionelle Western Blots entwickelt und vereinen die Vorteile von hohem Probendurchsatz mit einem robusten Assay und einer hochempfindlichen Messung. Diese Technologie findet ihren Einsatz insbesondere bei der Entschlüsselung von Knotenpunkten in zellulären Signalwegen und ermöglicht somit, Prozesse der dynamischen Proteinaktivierung (z. B. durch Phosphorylierung) zu erfassen. Ausstattung: BioChip Fertigung unter Reinraumbedingungen (Klasse 10000) mit: Perkin Elmer Arrayer BCA1 Gesim Nanoplotter 2 x Genetic Microsystems 417 BioChip Reader Zeptosens Reader Genetic Microsystems 418 Perkin Elmer Scanarray Bead-basierende multiplexe Assays Referenzlabor für Luminex Systeme und automatisiertem HTS Luminex System BD (Becton Dickinson GmbH) FACSArray Fokussierte Proteomanalytik mittels Protein-Mikroarrays: Mikroarrays, die aus einer Vielzahl von Proben generiert werden, ermöglichen einen sensitiven und semiquantitativen Nachweis einer großen Anzahl von Markerproteinen aus geringen Mengen Probenmaterials. Das Falschfarbenbild des Proteinarrays zeigt die Expression von Kollagen II aus primären Knorpelzellkulturen. Das Array besteht aus 380 Mikrospots, die 39 verschiedene Proben repräsentieren. Zur Analyse wurden Knorpelzellen lysiert und die gewonnenen Zelllysate im Arrayformat immobilisiert. Der Nachweis des Kollagen II erfolgt durch einen spezifischen Antikörper. Die Intensität der Färbung der Mikrospots korreliert mit der Expression des Proteins. 22 NMI Jahresbericht 2005

23 Zellbiochips Zellbiochip erreicht Marktreife Mit dem Multiple Substrate Array (MSA TM ) haben wir einen Zellbiochip entwickelt, mit dem die Interaktion von Zellen mit extrazellulären Matrixproteinen in miniaturisiertem Maßstab analysiert werden kann. Die Untersuchung dieser Interaktionen ist Bestandteil vieler Arbeiten in Bereichen wie z.b. Krebsforschung und Gewebeersatz (1,2). Produkte dieser Technologie werden 2006 weltweit mit Partnerfirmen in den Life Science Markt eingeführt. Dr. Brigitte Angres, Leiterin Zelluläre Testsysteme Visualisierung molekularer Interaktionen in lebenden Zellen Über eine Kombination von gentechnischer Markierung zellulärer Proteine und einer hochsensitiven Methode der Fluoreszenzmikroskopie werden zelluläre Testsysteme entwickelt, die die Interaktion von Proteinen in lebenden Zellen verfolgen lassen. Unser von der Landesstiftung Baden- Württemberg gesponsertes Projekt (3), das wir mit Prof. Schneckenburger der Hochschule Aalen bearbeiten, kombiniert die Möglichkeiten der TIRF Mikroskopie mit der FRET Technik, um die Wechselwirkung fluoreszenzmarkierter Proteine life zu beobachten. Dr. Brigitte Angres, Leiterin Zelluläre Testsysteme Ansprechpartner: Dr. Brigitte Angres Telefon: angres@nmi.de Brigitte Angres, Leiterin Zelluläre Testsysteme. (1) Angres et al. (2005) (2) Kuschel et al. (2006) (3) Landesstiftung FRET Befüllen des MSA TM. Über ein aufsetzbares Kammersystem werden Arrays eines Chips mit Zellen beschickt. Das MSA TM besteht aus einem Array von Mikrospots verschiedener extrazellulärer Matrixproteine. Zellen werden auf ihre Fähigkeit der Bindung an verschiedene Substratmoleküle untersucht. NMI Jahresbericht