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Studentische Hilfskraft für messtechnische Entwicklungen
Doctoral Scholarships / Postdoctoral Position in DFG Research Training Group 1505 "welisa"
Research assistant / PhD students in DFG Research Training Group and Joint project
Qualifizierungsarbeiten
Hierbei handelt es sich um Themenangebote für Biophysikpraktika im Nebenfach (10 SWS, GP1) und Hauptfach (20 SWS, GP2), welche darüber hinaus auch für die Anfertigung von Diplomarbeiten geeignet sind. Erläuterungen zu den verwendeten Begriffen und Methoden finden Sie unter der Rubrik "Forschung".
Für nähere Informationen wenden Sie sich bitte an das Büro von Prof. Dr. Jan Gimsa.
1. Thema
Erfassung von entzündungsähnlichen Aktivierungsreaktionen in Mikrogliazellen mittels dielektrischer Einzelzellcharakterisierung
Das Zentralnervensystem (ZNS) besitzt ein Immunprivileg, das verhindern soll, daß es zu überschießenden, hirnschädigenden Immunreaktionen kommt. Die phagozytischen, potentiell Antigen-präsentierenden Zellen des ZNS, die Mikrogliazellen, sind daher im Gegensatz zu Makrophagen im Normalfall in Ruhe. In neuroinflammatorischen Erkrankungen, wie z.B. der Multiplen Sklerose sind sie hingegen stark aktiviert und tragen massiv zu den beobachteten Schäden bei. Ihre Aktivierung qualitativ und quantitativ zu bestimmen, ist bisher mittels verschiedener Methoden möglich, deren Aussagekraft jedoch unterschiedlich akzeptiert wird. Ziel ist es, in Zusammenarbeit mit dem Neurobiologischen Labor des Zentrums für Nervenheilkunde zu testen, ob sich der Aktivierungszustand von primären Mikrogliazellen hervorgerufen durch proinflammatorische Zytokine wie z.B. TNF-alpha in den Eigenschaften von Zell- und interner Membranen manifestiert und dadurch mittels dielektrischer Einzelzelltechniken (Elektrorotation und Dielektrophorese) erfaßbar wird. Erste Untersuchungen zeigen, dass sich Aktivierungsprozesse in veränderten Membraneigenschaften, z.B. einer veränderten Membrankapazität manifestieren. Zu einer genaueren Interpretation dieser Befunde sind Messungen in Mikrokammern bei höheren Frequenzen und physiologischen Ionenkonzentrationen erforderlich.
Aufgaben/Methoden:
Primär-Zellkultur, Dielektrische Messungen, Mikrochiptechnik, Meß- und Grafiksoftware
Betreuung: Prof. Dr. J. Gimsa und Priv-Doz. Dr. U. Gimsa (Medizinische Fakultät)
2. Thema
Mikrophysiologische Messungen an Zellkulturen mit ionen-sensitiven Feldeffekttransistoren (ISFETs).
Seit einigen Jahren werden in unserer Arbeitsgruppe spezielle mikrophysiologische Zell-Chip-Systeme (Cell Monitoring Systems, CMS®) in Mikrosensortechnologie für die Signalanalyse v.a. an Tumorzellen und Nervenzellnetzwerken entwickelt. Mit Hilfe solcher Systeme ist es möglich, Zellen und Gewebe unter definierbaren Bedingungen zu untersuchen oder aber zelluläre Assays unter nahezu in vivo Bedingungen aufzubauen. Solche Systeme sind beispielsweise für die zellbiologische Grundlagenforschung oder einen Screening-Ansatz bei der Medikamentenentwicklung von Interesse. In Anlehnung an die technische Welt kann man solche Systeme als „Prüfstände" für lebende Zellen oder Gewebe betrachten, die unter physiologischen und reproduzierbaren Bedingungen Langzeituntersuchungen und die Analyse von Signalreaktionen erlauben. Der Einsatz multiparametrischer Sensorik mit planaren Mikrosensorarrays erlaubt dabei, an den Zellen physiologische Datenmuster zu ermitteln, die für den jeweiligen funktionalen Zustand charakteristisch sind. Damit ist es möglich physiologische Prozesse an Zellen on-line zu untersuchen und die ermittelten Datenmuster Funktionszuständen zuzuordnen. Setzt man zur Datenanalyse und Verarbeitung trainierbare Auswertungssysteme ein, können unterschiedliche Funktionszustände präzise erkannt werden und in ihrer Aussagekraft mit zunehmender Messfrequenz immer differenzierter werden.
Aufgaben/Methoden:
Sensorchipverkapselung, Test der pH-Empfindlichkeit, Ansäuerungsmessungen an Zellkulturen in Abhängigkeit der Temperatur im Bereich von 32 –42°C an dem neuen, temperierbaren Messadapter
Betreuung: Dr. W. Baumann
3. Thema
Charakterisierung der elektrischen Signaleinkopplung in Membranareale durch Modellierung des induzierten Transmembranpotentials
Das Verständnis des durch äußere elektrische Felder induzierten Transmembranpotentials spielt in der Biotechnologie und Medizin, z.B. für die Zellfusion, für die Elektro- Chemotherapie von Tumoren, die elektrische Zelltransfektion oder die Elektro-Gentherapie, eine zunehmende Rolle. In Zell-Chip-Systemen (z.B. Neuronen auf Chips) werden über äußere Elektroden sowohl Signale der Zelle abgeleitet als auch Membranpotentiale der Zelle aufgeprägt. Ein äußeres Signal ruft über der Zellmembran ein bestimmtes induziertes Potential hervor. Die Amplitude dieses Potentials hängt von Parametern wie der äußeren Feldstärke, den elektrischen Zell- und Außenmediumseigenschaften, sowie insbesondere der Zellform ab. Ein neuer theoretischer Ansatz läßt vermuten, daß die Membrankrümmung ein entscheidender Parameter für die Amplitude des induzierten Potentials ist. Die Auslotung der tatsächlichen Potenzen des neuen Modells erfordert die Einarbeitung in die Theorie der Zellpolarisation und den Vergleich mit bestehenden Modellen. Ziel ist es, das vorhandene Modell für eine quantitative Beschreibung zu modifizieren.
Aufgaben/Methoden:
Elektrische Modellierungen, Mathematik- (Maple, Mathematica, MathCad) und Grafiksoftware
Betreuung: Prof. Dr. J. Gimsa
4. Thema
Charakterisierung und Einsatz von planaren Mikroelektroden auf Halbleitersensorchips für extrazelluläre Ableitungen an Nervenzell-Netzwerken in vitro
Die Entwicklung neuronaler Netzwerke auf Mikroelektroden-Arrays durch die Pioniergruppe um Prof. Gross in Denton (Texas) ermöglicht die kontinuierliche Registrierung und Analyse der elektrischen Aktivität von Neuronenverbänden unter unterschiedlichen experimentellen Bedingungen. Hierdurch ergeben sich völlig neuartige Möglichkeiten z.B. in der Erfassung der pathophysiologischen Abläufe im Gehirn. Zusätzliche Informationen werden durch Korrelation der elektrischen Aktivität des Netzwerkes z.B. mit simultaner lichtmikroskopischer Beobachtung möglich. Bisherige Arbeiten zeigen, daß die Netzwerkaktivität durch die Applikation einer Vielzahl von neuronal aktiven Substanzen jeweils in konzentrations- und substanzspezifischer Weise beeinflußt wird. Vital toxische Konzentrationen terminieren die Netzwerkaktivität. Die extrazellulär gemessenen "Spike"-Signale des Nervenzell- Netzwerkes liegen im Bereich von wenigen 100 V bis zu 1mV. Besonderen Augenmerk wird beim Meßaufbau auf die elektrische Abschirmung von Umgebungseinflüssen sowie eine rauschminimierte Signalauskopplung gelegt.
Aufgaben/Methoden:
Sensorchipverkapselung, Impedanzanalyse der Elektroden; Messung der Einflüsse des Meßmediums, Beschichtung mit "black platinum", Biokompatibilitätstests, Messungen mit Nervenzellkulturen
Betreuung: Dr. W. Baumannn
5. Thema
Charakterisierung von Elektroden zur Parkinsontherapie durch tiefe Hirnstimulation
Die tiefe Hirnstimulation basiert auf der elektrischen Stimulation der Basalganglien und wird zur Behandlung des fortgeschrittenen Morbus Parkinson und anderer Bewegungsstörungen eingesetzt. Der Entwicklung der Therapie ist, z. B. verglichen mit Herzschrittmachern noch nicht sehr weit fortgeschritten und ihre Wirkungsweise nicht völlig verstanden. Bei Patienten wurden leichte Gewebsveränderungen durch die Stimulation beschrieben. Ursache sind wahrscheinlich elektrochemische Reaktionen an den Elektrodenoberflächen. Zur Klärung sollen Berechnungen von Stromdichte- und Feldverteilung sowie zur Reichweite der Stimulation im Gewebe beitragen. Diese Rechnungen könnten dann zur Optimierung der Elektrodenform genutzt werden. Ein weiteres Problem sind die Stimulationsparameter, insbesondere die Form des Stimulationspulses. Auf Basis eines elektrischen Modells der Elektroden-Zell-Kopplung soll das Verständnis der Grundlagen der Therapie verbessert werden.
Aufgaben/Methoden:
Numerische Feldberechnungen
Betreuung: Prof. Dr. van Rienen (E-Technik), Prof. Dr. J. Gimsa in Kooperation mit Priv.-Doz. Dr. U. Gimsa (Zentrum für Nervenheilkunde)
6. Thema:
Charakterisierung des physiologischen Zellzustands durch Kombination von elektrischen und Lichtstreu-Methoden
Im Größenbereich von Proteinen bis hin zu Zellen werden zur Charakterisierung von Objektgröße und Oberflächenladung Geräte eingesetzt, die die Streulichteigenschaften der Messproben auswerten. Diese sog. dynamischen Lichtstreumethoden werten Änderungen des Streulichtes (die Streulichtfluktuationen) aus, die durch Brown'sche (Größe) bzw. eine elektrophoretisch induzierte Bewegungen (Oberflächenladung) hervorgerufen werden. Werden elektrische Wechselfelder, die in die Objekte eindringen können, zur Induktion von Bewegungen genutzt, so lassen sich Informationen über die elektrische Struktur als Messparameter zur Beschreibung des physiologischen Zustands erhalten. Diese Struktur spiegelt ist die etablierte Methoden sind Dielektrophorese und Elektrorotation, bei denen Translations- und Rotationsbewegungen im inhomogenen bzw. rotierenden Wechselfeld induziert werden. Diese Methoden beruhten bisher auf der mikroskopischen Beobachtung der induzierten Bewegungen. Die durch uns entwickelten Methoden der Elektro-Rotations-Licht-Streuung (ERLS) und Dielektrophoretischen-Phasen-Analytischen-Lichtstreuung (DPALS) kombinieren die Vorteile von Lichtstreu- und dielektrischen Einzelpartikeltechniken und erlauben die Automatisierung als auch die Charakterisierung submikroskopischer Objekte. Ziel der Arbeit ist die Entwicklung elektrischer Zellmodelle und ihrer Korrelation zum physiologischen Zellzustand am Beispiel der Hefe.
Aufgaben/Methoden:
dynamische und statische Lichtstreutechniken, dielektrische Messungen
Betreuung: Prof. Dr. J. Gimsa
7. Thema:
Entwicklung und Testung von Meßkammern zur dielektrischen Charakterisierung von Zellen und Partikeln
Die elektrischen Eigenschaften biologischer Einzelobjekte, wie Zellen oder Zellorganellen spiegeln ihre physiologischen Eigenschaften und deren Änderungen wider. Gleichzeitig ist die Kenntnis der Eigenschaften für die Beschreibung der Wechselwirkung mit elektromagnetischen Feldern (Stichwort "Elektrosmog") wichtig. Für die elektrische Charakterisierung werden sog. dielektrische Spektroskopiemethoden, wie die Dielektrophorese, eingesetzt. In der Dielektrophorese werden die Eigenschaften von Einzelobjekten über das Frequenzspektrum ihrer wechselfeldinduzierten Bewegungen bestimmt. Die Registrierung dieser Bewegung erfolgt visuell in mikroskopischen Messkammern. Für die Automatisierung der Messungen haben wir eine spezielle Laser-Doppler-Methode entwickelt. Die entsprechenden Messkammern erfordern die Vereinigung von elektronischen, laseroptischen und liquidischen Elementen. Sie müssen eine definierte Feldverteilung, Temperierbarkeit, gute mechanische und Hochfrequenzeigenschaften, sowie die Möglichkeit der optischen Ein- und Auskopplung von Laser- und Lichtstreusignalen besitzen. Ausgehend vom vorhandenen Kammerdesign soll ein verbesserter Aufbau mit geeigneten Elektrodenstrukturen für die Erzeugung eines inhomogenen Dielektrophoresefeldes entwickelt werden.
Aufgaben/Methoden
Strukturentwürfe, Photolithographie, Arbeiten mit Testobjekten (Zellen oder künstlichen Kolloiden), dielektrische Messungen
8. Thema (vorzugsweise für GP2 oder Diplomarbeit)
Nutzung dielektrophoretischer Kräfte in Mikrochips für die Manipulation von Mikrotubuli und Membranorganellen.
Fluidische Mikrochips werden bereits kommerziell für das elektrische Handling, die Manipulation und
Charakterisierung von Einzelteilchen und -zellen eingesetzt (www.evotec.de;