Biotechnologisch-Biomedizinisches Zentrum Leipzig (BBZ)

Forschungstätigkeit am Zentrum

Das BBZ ist ein international kompetitives Zentrum an der Universität Leipzig. Es fördert die Forschung und Entwicklung als auch Studiengänge, Weiterbildungs- und Fortbildungsangebote auf den Gebieten Protein Engineering & Bioanalytik, Molekulare Medizin & Therapeutika sowie Biomedizinisches und Zell-Engineering. Die Plattformtechnologien und Methoden in den Bereichen Biotechnologie, Biomedizin und Nanotechnologie bieten Serviceleistungen für wissenschaftliche Einrichtungen und die Industrie. Durch Expertisen und Kompetenzen werden Innovationen industriell umgesetzt. Mit dem Fokus auf die rote Biotechnologie und unter dem Motto „Vom Molekül zum Patienten“ entwickelt das BBZ Wirkstoffe, Proteine und andere Biomoleküle, Zellen als auch Gewebe als Instrumente und Produkte für breite biotechnologische und biomedizinische Anwendungen sowie neuartige analytische Methoden und präparative Verfahren. Das Zentrum arbeitet eng mit dem Universitätsklinikum Leipzig und dem Interdisziplinären Zentrum für Bioinformatik (IZBI) an der Universität Leipzig zusammen. Die Management- und Akquisitionsstelle unterstützt die Vernetzung von Wissenschaft und Wirtschaft. Sechs Professuren der Chemie, Biowissenschaften und Medizin sowie eine Nachwuchsgruppe arbeiten mit innovativen Biotechnologieunternehmen und vielen Start-ups in der BIO CITY LEIPZIG unter einem Dach. Gegenwärtig sind 33 Arbeitsgruppen der Lebenswissenschaften Mitglied des BBZ in Leipzig.

Professuren des BBZ

• Bioanalytik
• Molekularbiologisch-biochemische Prozesstechnik
• Molekulare Pathogenese
• Molekulare Zelltherapie
• Strukturanalytik von Biopolymeren
• Zelltechniken und angewandte Stammzellbiologie

Selbständige wissenschaftliche Nachwuchsgruppen des BBZ

• Molekulare Diagnostik – Mikroarray-Techniken
• Ultrasensitive Proteindetektion

Die Forschungsprojekte der Professur für Bioanalytik (Prof. Dr. Ralf Hoffmann) konzentrieren sich auf die Etablierung neuer analytischer Methoden zur Analyse posttranslationaler Modifikationen, beispielsweise Phosphorylierung, Hydroxylierung, Methylierung, Glykosylierung, Desamidierung, Glykierung und Oxidationen, sowie die Charakterisierung entsprechend modifizierter Proteine. Diese meist reversiblen, teils aber auch irreversiblen Modifikationen verändern Proteine sowohl strukturell als auch funktionell. Ferner werden hochsensitive Detektionsmethoden als Grundlage neuer Bioassays entwickelt. Diese Forschungen wurden insgesamt durch sechs Drittmittelprojekte von der AiF, dem BMBF, der DFG und dem SMWK gefördert, sowie durch Stipendien des DAAD und der Gottlieb Daimler- und Karl Benz-Stiftung. Die nachfolgend beschriebenen Ergebnisse wurden in enger Zusammenarbeit mit Forschergruppen in Australien, Deutschland, Russland und den U.S.A. erzielt. So forschte ein Doktorand vier Wochen in den U.S.A, während zwei Doktoranden jeweils vier Wochen in der Professur mitarbeiteten. Im Bereich der Alzheimer-Krankheit wurden mehrere monoklonale anti-Tau Antikörper (mAks) bezüglich des erkannten Phosphorylierungsmusters charakterisiert und eine neue Technik zum Epitopmapping in Immunoblots entwickelt. Die Glykierung (oder Glykoxidation) von Proteinen durch Glukose wird sowohl bei der Alzheimer-Krankheit als auch bei Diabetes für einen Teil der klinisch relevanten Symptome verantwortlich gemacht. Die dabei gebildeten Amadori-Produkte können nun mit einer einfachen und sehr effektiven Methode an der festen Phase synthetisiert werden. Für entsprechend modifizierte Proteine wurde eine allgemein anwendbare Analytik bestehend aus einer affinitätschromatographischen Anreicherung und einer massenspektrometrischen Identifizierung entwickelt, die gegenwärtig auf Blutproben erweitert wird. Damit können durch erhöhte Zuckerwerte (Diabetis) bedingte Veränderungen von Serumproteinen als mögliche Biomarker identifiziert werden. In einem weiteren Projekt wurden mehrere antimikrobiell aktive Substanzen isoliert, deren Struktur massenspektrometrisch aufgeklärt und letztlich durch Totalsynthese die Aktivität gegenüber klinisch wichtigen Bakterien, Pilzen und Viren bestätigt. Des Weiteren wurden neue antibakterielle Wirkstoffe entwickelt, die bereits im ng/mL-Bereich gegenüber resistenten E. coli Stämmen aktiv sind, ohne dass sie auch Säugerzellen toxisch wirken. Insgesamt wurden die oben beschriebenen Arbeiten in neun international renommierten Zeitschriften publiziert und waren Grundlage einer Patentanmeldung. Zu Beginn des Jahres konnte beim BMBF eine Innoprofile-Nachwuchsgruppe erfolgreich eingeworben werden, die innerhalb eines Jahres auf acht Mitarbeiter anwachsen wird. Als Projektleiter wurde Dr. Thole Züchner im Juni 2007 eingestellt.

Die Professur für Molekularbiologisch-biochemische Prozesstechnik (Prof. Dr. Andrea A. Robitzki) konnte weitere technologische Erfolge auf dem Gebiet der Laser- sowie der Biosensortechnologie und Mikroimplantatentwicklung erzielen. Im Rahmen eines BMWi-InnoNet-geförderten Projektes konnten erste Ansätze eines Multiwell-Kraftsensors HPBioforce für die Arzneimittelforschung in Kooperation mit der FH Aachen und vier Industriepartnern verfolgt werden. Im Verlauf eines EU (6. RP)-geförderten STREP wurden neue 3D-Mikro-Kavitätenarrays sowie Kardiomyozyten-Biosensoren erfolgreich für die Funktions- und Nebenwirkungsbestimmung zahlreicher klinisch relevanter, neuer Wirkstoffe für Herz-Kreislauf-Erkrankungen eingesetzt. Im Bereich Halbleitertechnologie wurden neue Fertigungsprozesse für Mikrostrukturen zur kontrollierten Wirkstofffreisetzung (Mikroimplantate für die Regenerative Medizin im Rahmen des BMBF-Translationszentrums) geschaffen. Ein neuer 3D-Mikrokavitätenchip für das Echtzeit-Monitoring von 3D in vitro Gewebemodulen wurde z.B. für die online und Echtzeitdetektion (Bioimpedanzspektroskopie und elektrophysiologische Ableitung in einem System) von Myocard-Ischämie in 3D Kardiomyozyten oder physiologischen Änderungen in 3D Melanoma validiert (DFG-SFB 610). An diese Biosensorplattform wurde erfolgreich eine Mikrolaser-Manipulationsplattform implementiert und adaptiert und somit die NanoElectricBeam-Plattform mit Neuheitsgrad geschaffen. Mit einer Softwareentwicklung für die Steuerung der Biosensor-basierten Analytik sowie für die Datenanalyse konnte NanoElectricBeam komplettiert werden. Diese interdisziplinären Ansätze wurden in die DFG-Exzellenzinitiative des Bundes und der Länder im Rahmen der Graduate School of Natural Sciences Leipzig, Building with Molecules und Nano-objects „BuildMoNa“ eingebracht.

Die Professur für Molekulare Pathogenese (Prof. Dr. Manfred Blessing) beschäftigt sich mit der Funktion von Wachstumsfaktoren und Cytokinen. Im Zentrum der Arbeiten stehen Mitglieder der „Transforming Growth Factor-beta“ (TGF-beta) Familie. TGF-beta selbst ist ein Faktor mit pleiotropen Wirkungen. TGF-beta ist ein zentraler Regulator des Immunsystems, es fördert die Proliferation bzw. Differenzierung von Mesenchymzellen, wohingegen die Proliferation von Epithelzellen inhibiert wird und TGF-beta moduliert Angiogenese und Apoptose. Aufgrund dieser vielfältigen und teilweise gegenläufigen Wirkungen auf unterschiedliche Zelltypen hat eine Änderung der lokalen Aktivität von TGF-beta gravierende Auswirkungen auf die Funktion von Geweben. Folgerichtig findet man Modifikationen des TGF-beta Systems in einer Vielzahl von Erkrankungen wie Krebs, Fehlsteuerungen des Immunsystems und Regenerationsstörungen. Zur funktionellen Analyse dieses Faktors in den unterschiedlichen Krankheitsszenarien wurde eine Reihe transgener Mauslinien entwickelt, in denen lokal und zelltypspezifisch entweder die Aktivität dieses Faktors, oder die Suszeptibilität gegenüber diesem Faktor moduliert wird. Zunächst wurden in diesen Modellen Änderungen der Suszeptibilität gegenüber Krebserkrankungen und Immundefekten mit dem veränderten TGF-beta System korreliert. So konnten z.B. unterschiedlich starke Auswirkungen des Verlusts dieses Systems auf die Tumorigenese in Haut, Darm und Leber sowie eine Parallelität mit der Frequenz dieses Verlustes in Hauttumoren, Darmtumoren und Lebertumoren von Patienten nachgewiesen werden. Des weiteren konnte gezeigt werden, dass der Verlust des TGF-beta Systems in T-Zellen zu einer erhöhten Suszeptibilität gegenüber Asthma, Hepatitis und Arthritis führt, wohingegen eine Verstärkung der Aktivität vor Asthma schützt. Unter Einsatz von hochdichten DNA-Chips und Proteomanalysen konnten zelltypspezifische Zielgene dieses zentralen Regulators identifiziert werden. Diese neuen Kandidatengene werden nun an Patientenkohorten zur Entwicklung neuer diagnostischer bzw. prognostischer Verfahren oder therapeutischen Ansätzen überprüft. Darüberhinaus werden in Tiermodellen konditionale und induzierbare Mutationen zur Analyse von Cytokinen etabliert.

Die Professur für Molekulare Zelltherapie (Prof. Dr. Peter Seibel) beschäftigt sich mit der Entwicklung von molekularen Methoden und Verfahren, um genetische Defekte menschlicher Zellen zu korrigieren. Als Modellsysteme dienen in diesem Zusammenhang Erkrankungen des Menschen, die durch genetische Veränderungen des mitochondrialen Genoms ausgelöst werden. Unter therapeutischen Gesichtspunkten spielt bei diesen Erkrankungen neben der genetischen Veränderung selbst auch das Biogeneseverhalten der Mitochondrien eine zentrale Rolle. Fortwährende Fusions- und Fissionsvorgänge der Organellen unterstützen die Gleichverteilung des genetischen Materials innerhalb des zellulären mitochondrialen Netzwerkes. Um diese molekularen Vorgänge zu untersuchen, wurde im Rahmen der Professur die Technologieplattform „Fluoreszenzimaging“ ausgebaut. In der jetzigen Ausbaustufe verfügt die Professur über ein Konfokales Multiphotonen/Laserscanning-Mikroskop, das bereits in der Erprobungsphase zu sehr interessanten Entdeckungen geführt hat. So konnten beispielsweise in lebenden Zellen die Membrantopologie der Mitochondrien in einer Auflösung dargestellt werden, wie man es bislang nur aus der Elektronenmikroskopie kannte (Beobachtung nur an fixierten Zellen und Zellschnitten möglich). Fusions- und Fissionsvorgänge der Mitochondrienmembranen konnten erstmals an lebenden Zellen beobachtet werden. Darüber hinaus gelang die visuelle Beobachtung der mitochondrialen DNA im Zusammenspiel mit fluoreszenzmarkierten single-strand-binding-protein und einem mitochondrialen Transkriptionsfaktor. Diese Beobachtungen erlauben einen direkten Rückschluss darauf, wie und an welchen Orten das mitochondriale Genom repliziert und transkribiert wird, so dass sich nun geeignete Therapieverfahren entwickeln lassen.

Das Forschungsinteresse der Professur für Strukturanalytik von Biopolymeren (Prof. Dr. Norbert Sträter) liegt in der Anwendung biochemischer und biophysikalischer Methoden, hauptsächlich der Proteinkristallographie, zur Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Raumstruktur und Funktion von Proteinen. Dabei werden gegenwärtig vor allem Enzyme untersucht, die hinsichtlich katalytischer Reaktivität oder medizinischer und biotechnologischer Bedeutung von besonderem Interesse sind. Neben der Strukturaufklärung des nativen Proteins steht dabei immer die Charakterisierung des Reaktionsmechanismus und der Funktionsweise des Proteins auf molekularer Ebene im Vordergrund. Aktuelle Projekte konzentrieren sich auf die Katalyse durch Metallenzyme sowie auf pharmakologisch relevante Proteine im Bereich der extrazellulären und intrazellulären Signaltransduktion über Nukleotide. Die Forschung ist an der Schnittstelle zwischen Biowissenschaften und Chemie angesiedelt. Als Beispiel seien hier vor allem die Aufklärung der chemischen Reaktionsmechanismen der Enzyme genannt und das rationale Design neuer Biokatalysatoren (Enzym-Design, weiße Biotechnologie). Ein weiterer Schwerpunkt anwendungsbezogener Forschung ist die strukturbasierte Wirkstoffentwicklung, also die Charakterisierung der molekularen Wirkungsweise synthetischer Wirkstoffe an den biologischen Targets durch Aufklärung der entsprechenden Komplexstrukturen. Die Arbeiten werden gegenwärtig durch vier laufende DFG-Projekte gefördert.

Die Forschungsprojekte der Professur für Zelltechniken und angewandte Stammzellbiologie (Prof. Dr. Augustinus Bader) konzentrieren sich auf die Entwicklung von Bioreaktoren zur Herstellung körpereigener Implantate (Knochen-, Knorpel- und Hautersatz), sowie als bioartifizielle Leberersatzsysteme für Drug-Screening Untersuchungen und zur Überbrückung bei autologer Leberregeneration. Zusätzlich beschäftigt sich die Arbeitsgruppe mit der Entschlüsselung der Mechanismen, die eine Geweberegeneration auslösen. Im Zentrum der Arbeiten zur Leberbioreaktorentwicklung für Drug-Screening Untersuchungen (EU-Projekt LIVEBIOMAT) steht die Testung verschiedener Biomaterialien für die Langzeitkultivierung primärer Hepatozyten. Dabei wurde die Regulierung der Expression leberspezifischer Gene mittels Microarray-Technik erfolgreich untersucht. Für dieses Projekt besteht eine internationale Forschungskooperation mit den Partnern Dr. de Bartolo, Institute on Membrane Technology/National Research Council of Italy, Italien; Dr. Semino, University Ramon Llull, Barcelona, Spanien; Dr. Favia, University of Bari, Italien und Dr. Jank, LSMW Stuttgart; Prof. Bader fungiert als Projektkoordinator. Im Rahmen des Forschungsverbundes, das Plattformkonzept Endozytose-Systembiologie (Nachfolgeprojekt von Zellbiologie-Systembiologie), konnte die Repolarisierung von primären murinen Hepatozyten in einem Collagen-Sandwich in vitro über 14 Tage nachgewiesen werden. In diesen repolarisierten Leberzellen soll außerdem der Mechanismus der Endozytose untersucht werden. Durch die Übertragung dieser Ergebnisse in mathematische Modelle und Simulationsplattformen sollen Zusammenhänge von Endozytose und Signalweiterleitung in Hepatozyten verstanden werden und das Vorhersagen von Endozytose- und Signalaktivitäten in Hepatozyten möglich sein. Das BMBF-Projekt im Bereich des Hautersatzes beschäftigte sich mit dem Thema zum Besiedlungsverhalten verschiedener Hautzellen auf unterschiedlichen Membranen in statischen Kulturen und auch in Bioreaktorkulturen. Die Analyse der mit Zellen kultivierten Matrices erfolgte mit Hilfe von Stoffwechseluntersuchungen und bildgebenden Verfahren zur Quantifizierung der Vitalität. Dabei soll eine reproduzierbare Hautäquivalentkultivierung auf verschiedenen 3D-Polymeren erzielt werden. Innerhalb der BMBF geförderten klinischen Studie, welche die unterstützende Wundregeneration nach tiefgradiger Verbrennung durch EPO untersucht, werden Gewebeproben mittels histologischer, molekularbiologischer und proteinchemischer Methoden analysiert. Ein neues DFG-finanziertes Projekt „Analytik der extrazellulären Matrix in künstlichem Knorpelgewebe mittels NMR-Spektroskopie und MALDI-TOF-Massenspektrometrie“ wurde gemeinsam mit Dr. Huster, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU), und Dr. Schiller (Institut für Medizinische Physik und Biophysik) eingeworben. Hier sollen neben den etablierten Referenzverfahren (z.B. (immun)histochemische Verfahren) neue 13C-NMR- und massenspektrometrische Verfahren zum Monitoring des Aufbaus der extrazellulären Matrix, insbesondere von Kollagen und Chondroitinsulfat, entwickelt werden. Die hier vorgeschlagene NMR-Methodik erlaubt erstmalig eine quantitative Kontrolle der Qualität des künstlichen Gewebes, ohne dass invasive Vorbehandlungen durchgeführt werden müssen. Dazu wird ein spezieller NMR-Probenkopf entwickelt, mit dem die online-Qualitätskontrolle des Gewebes möglich ist, ohne den sterilen Zellkulturkreislauf zu unterbrechen. Dieser Forschungs- und Entwicklungsansatz ergänzt ein weiteres, an der Medizinischen Fakultät angesiedeltes und vom BMBF-geförderten Verbundprojekt „Automatisierte Herstellung und Überwachung dreidimensionaler Knorpelersatzgewebe aus mesenchymalen Stammzellen“. Ziel ist es, die vorhandene Bioreaktortechnologie der Arbeitsgruppe um neue innovative Monitoring-Technologien aus den Instituten für Experimentelle Physik I und II, dem IZBI, sowie dem Institut für Medizinische Physik und Biophysik zu integrieren. Darüber hinaus konnte gemeinsam mit der Klinik für Unfall-, Wiederherstellungs- und plastische Chirurgie die „Therapie osteochondraler Defekte mittels biphasischer Konstrukte aus autologen vordifferenzierten Stammzellen versus osteochondraler Transplantation im Tiermodell“ untersucht werden. Ziel des formel.1-geförderten Projektes ist die Rekonstruktion chronifizierter osteochondraler Defekte mittels biphasischer Transplantate auf Basis von stammzellbesiedelten ß-Tricalciumphosphat-zylindern (Cerasorb®, Curasan AG) sowie einer Kollagen-I-Matrix, welche mit einer chondrogen vordifferenzierten bmMSC-Population besiedelt wurden. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Entwicklung modifizierter alloplastischer Knochenersatzmaterialien. Hierbei werden sowohl verschiedene Zellbesiedelungstechniken, als auch Möglichkeiten der Einbindung von Wachstumsfaktoren in die Materialien entwickelt und umgesetzt. In enger Zusammenarbeit mit der Veterinärmedizinischen Fakultät der Universität Leipzig werden diese Konstrukte am Tiermodell analysiert. Außerdem wurden zwei DAAD-Projekte weitergeführt, eines mit der Arbeitsgruppe von Dr. Meng der Universität Zhejiang, China, auf dem Gebiet der Entwicklung einer gewebsähnlichen Kultivierung primärer Hepatozyten in einem Hollow fiber-Bioreaktor sowie eines mit Dr. Diaz vom Institut de Ciencia de Materiales, Sevilla, Spanien, auf dem Gebiet der Synthese und Entwicklung nanostrukturierter Biomaterialien. Für die erfolgreiche klinische Umsetzung der zellbiologischen Ergebnisse, sowie der tierexperimentellen Studien dieser Projekte wurde eine, für die Herstellung so genannter Advanced Medical Products (AMP) bzw. Tissue Engineered Products (TEP), notwendige Reinraum-Anlage etabliert. Damit ist es der Arbeitsgruppe nun möglich, zellbasierende autologe humane Transplantate nach dem geltenden Arzneimittelgesetz herzustellen, bzw. auch extrakorporale Organunterstützungs- und Bioreaktorsysteme zu testen und zu validieren.

Die Nachwuchsgruppe Molekulare Diagnostik – Mikroarray Technologien (Dr. Peter Ahnert) ist mit der molekularen Charakterisierung komplexer Phänotypen befasst. Ziele sind die Identifizierung von Biomarkern zur besseren Unterscheidung dieser Phänotypen sowie die Aufklärung von Prozessen, welche mit diesen Phänotypen ursächlich in Zusammenhang stehen. Besonders für Erkrankungen, welche erst spät nach ihrer Entstehung erkannt werden, stellt die Identifizierung von genetischen Biomarkern, ein Werkzeug für die Analyse der Ätiopathomechanismen dar. Außerdem wird die Entwicklung von Frühdiagnose- und Klassifizierungssystemen ermöglicht. Genetische Assoziationsanalysen werden in der Gruppe vor allem für Autoimmunerkrankungen, insbesondere die rheumatoide Arthritis (RA) und die Sklerodermie, durchgeführt. Autoimmunerkrankungen sind komplexe Erkrankungen mit verschiedenen ursächlichen Faktoren. Es ist bekannt, dass genetische Veranlagungen eine Rolle in der Entstehung und im Verlauf der Erkrankung spielen. Man weiß auch, dass andere Genorte als der bekannte HLA Lokus involviert sind. Um welche Gene und welche Varianten dieser Gene es dabei geht ist hingegen weitgehend unbekannt. Man weiß aus genomweiten Assoziationsstudien, dass vor allem Genvarianten geringer Penetranz für das Krankheitsgeschehen verantwortlich sein müssen. Dies macht Assoziationsstudien besonders schwierig. Kandidatengenanalysen in Verbindung mit Methoden der Systembiologie stellen hier einen Lösungsansatz dar. Ziel des Projektes ist es, einen Beitrag zur Aufklärung der genetischen Komponente der RA zu leisten und Methoden zur genetischen Analyse komplexer Erkrankungen weiterzuentwickeln. Der Hirntumor, wie diffuse Astrozytome, gehören zu den tödlichsten Tumoren. Die Prognose für die Patienten und die Therapieoptionen hängen stark vom Typ bzw. Grad des Tumors ab. In Zusammenarbeit mit der Klinik für Neurochirurgie sowie der Selbständigen Abteilung für Neuropathologie des Universitätsklinikums Leipzig wird an der molekularen Klassifizierung verschiedener Tumorentitäten gearbeitet. Insbesondere die Kombination von zytogenetischen und molekularzytogenetischen Methoden, zusammen mit Analysen auf Proteinebene und Zellfunktionstests, sollen hier neue Erkenntnisse liefern. Die Forschungsprojekte wurden durch die Sächsische Aufbaubank und die DFG gefördert. Es bestehen enge Kooperationen mit der Gruppe von Dr. Francois Cornélis (Universität Evry und Universität Paris VII) sowie mehreren Partnern in Deutschland.

Im Rahmen der Arbeit der Nachwuchsgruppe Ultrasensitive Proteindetektion (Dr. Thole Züchner) werden zur Zeit hochsensitive immunologische Assays entwickelt. Dies geschieht mit dem Ziel einer allgemein verwendbaren Technologieplattform zur Diagnose von u.a. neurodegenerativen Krankheiten. Dabei zielt das Projekt vor allem auf die hochsensitive Detektion und Quantifizierung von Proteinen in Gelen und auf Membranen ab. Die Arbeit der Nachwuchsgruppe Ultrasensitive Proteindetektion hat seit ihrem Bestehen ab Juni 2007 zu einer Patenteinreichung im Januar 2008 geführt. Grundlage des Patents bildet die Arbeit der Nachwuchsgruppe Ultrasensitive Proteindetektion im Bereich der Verfahrensentwicklung zum hochsensitiven Nachweis von Proteinen in Gelen (1D- und 2D-Gele) und den korrespondierenden Membranen (PVDF und Nitrocellulose). Hierbei liegen bisherige Färbemethoden vom Proteindetektionslimit her im oberen bis unteren nanogramm (ng) Bereich. Dieses Detektionslimit konnte durch die Entwicklung neuer Färbemethoden signifikant verbessert werden. Kooperationen bestehen sowohl mit am Projekt beteiligten Firmen als auch nationalen und internationalen akademischen Arbeitsgruppen. Die Gruppe wird durch das BMBF Innoprofile Programm finanziell gefördert.