WITec zeichnet Forschende mit 2024 Paper Award aus

• GOLD: Vernon LaLone, Aleksandra Aizenshtadt, John Goertz, …, Steven Ray Wilson, Stefan Krauss, Molly M. Stevens (2023) Quantitative Chemometric Phenotyping of Three-dimensional Liver Organoids by Raman Spectral Imaging. Cell Reports Methods 3(4): 100440. DOI: 10.1016/j.crmeth.2023.100440
• SILBER: Robin H.M. van der Meijden, Deniz Daviran, Luco Rutten, X. Frank Walboomers, Elena Macías-Sánchez, Nico Sommerdijk, Anat Akiva (2023) A 3D Cell-Free Bone Model Shows Collagen Mineralization is Driven and Controlled by the Matrix. Advanced Functional Materials 33(42): 2212339. DOI: 10.1002/adfm.202212339
• BRONZE: Michael Neumann, Xu Wei, Luis Morales-Inostroza, Seunghyun Song, Sung-Gyu Lee, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Stephan Götzinger, Young Hee Lee (2023) Organic Molecules as Origin of Visible-Range Single Photon Emission from Hexagonal Boron Nitride and Mica. ACS Nano 17(12): 11679-11691. DOI: 10.1021/acsnano.3c02348

Eine Liste aller bisher ausgezeichneten Publikationen ist auf der offiziellen WITec Paper Award Website verfügbar.

Der Paper Award GOLD: Charakterisierung biologischer 3D Modellsysteme

Die biologische und medizinische Forschung verwendet zunehmend 3D Modellsysteme wie Organoide. Dadurch kann die Vielschichtigkeit ganzer Organe und deren molekulare Mechanismen in vitro untersucht werden. Vernon LaLone zeigte mit seinen Kollegen am Imerial College in London und seinen Co-Autoren an der Universität von Oslo auf eindrucksvolle Weise, wie diese komplexen 3D Strukturen mithilfe von Raman Mikroskopie charakterisiert werden können, was mit dem Paper Award GOLD ausgezeichnet wird. 

Die Autoren entwickelten eine Methode zur Messung der absoluten Konzentration mehrerer biologischer Komponenten in Organoiden. Im Gegensatz zu konventionellen Färbemethoden die mit Molekülmarkern arbeiten, konnten mithilfe dieser sogenannten quantitativen Raman-Bildgebung selbst Bestandteile analysiert werden, die sonst schwer auffindbar sind. Im Vergleich von Leber-Organoiden, die aus menschlichen Leberzellen gewonnen wurden und solchen aus menschlichen induzierten Stammzellen (hiPSCs), konnten die Forschenden so Unterschiede in der Menge an Proteinen, Nukleinsäuren und ungesättigten Fettsäuren messen. Zusätzlich wurden Veränderungen in der Zusammensetzung der Organoide nach Gabe von leberbeeinflussenden Medikamenten sichtbar. Im selben Experiment konnten außerdem der Metabolismus der Medikamente und Ansammlungen im Gewebe beobachtet werden.

Der Paper Award SILBER: Biomineralisierung der Knochenstruktur

Unsere Natur hat ein enormes Spektrum unterschiedlicher Materialen mit bemerkenserten (mechanischen) Eigenschaften hervorgebracht. Viele davon können nur durch kontrollierte Vorgänge über einen längeren Zeitraum entstehen. Ein Paradebeispiel hierfür ist die Biomineralisation, ein Prozess in welchem Mineralien in ein Netzwerk aus hochgeordneten organischen Strukturen eingelagert werden. 

Der diesjährige Paper Award SILBER Gewinner Robin H.M van der Meijden untersuchte mit seiner Forschungsgruppe am Radboud University Medical Center (Radboudumc) in Nijmegen in den Niederlanden die Biomineralisierung von Knochengewebe. Dabei wurde ermittelt, welche Komponenten und Strukturen für diesen Prozess notwendig sind. Die Forschenden konnten in ihrer Arbeit die Hauptstrukturkomponente im Knochen – das Osteon – in einem zellfreien in vitro System rekonstruieren. Eine polarisationsabhängige Raman-mikroskopische Analyse zeigte den typischen Aufbau der chemischen und hierarchischen 3D Struktur des Osteons selbst in diesem zellfreien System. Entgegen der bisherigen Sichtweise war nicht die zelluläre Aktivität, sondern die Struktur und Zusammensetzung der Extrazellulären Matrix (ECM) für die kontrollierte Einlagerung der Minerale in die Matrix ausschlaggebend. 

Zusammenfassend konnten mithilfe des neu etablierten, zellfreien in vitro Systems bedeutende Erkenntnisse über die Prozesse in der Knochenbildung gewonnen werden. Gleichzeitig bietet das Modell auch in Zukunft eine hervorragende Plattform für weitere Untersuchungen zur Matrix-Mineralisierung und ermöglicht außerdem „mechanistische Studien zu mineralisationsbedingten Erkrankungen“, wie Robin van der Meijden schreibt.

Der Paper Award BRONZE: Einzelphotonenemitter in 2D Materialien

Die Paper Award BRONZE Gewinner 2024, Michael Neumann, Xu Wei und ihre Kollegen am Center for Integrated Nanostructure Physics, Sungkyunkwan Universität in Suwon in Südkorea, sind mit Partnern in Deutschland und Japan tief in das Gebiet der Quantenoptik eingetaucht. Ihre Studie beschäftigte sich mit hexagonalem Bornitrid (hBN), einem schichtförmigen Material, in welchem häufig Einzelphotonenemitter (englisch: single-photon emitters, SPEs) zu finden sind, die in der Quantentechnologie für großes Interesse sorgen. Diese SPEs wurden zuvor luminesizierenden, punktuellen Defekten im hBN Kristallgitter zugeordnet, was die Autoren in dieser Arbeit jedoch hinterfragten. 

Durch die Analyse der photolumineszenten Aktivität von hBN konnten Michael Neumann und Xu Wei zeigen, dass viele der detektierten SPEs nicht im hBN selbst ihren Ursprung hatten, sondern fluoreszente Moleküle und Rückstände von organischen Verbindungen im Herstellungsprozess waren, gefangen zwischen der hBN Oberfläche und dem Trägermaterial. Diese Erkenntnis wurde damit bestätigt, dass in hBN Proben ohne den Einsatz von organischen Molekülen im Herstellungsprozess keine SPEs auftraten. Zudem konnte die selbe Art von SPEs auch unter einem anderen Isolator-Material (Fluorphlogopite Mica) gebildet werden. 

Mit diesem neuen Verständnis über den Ursprung vieler der SPEs in hBN schlussfolgern die Autoren: „Der durch unsere Arbeit eingeleitete Perspektivwechsel wird die Entwicklung hBN-basierter quantumphotonischer Technologien beschleunigen, indem er den Wechsel von einer unkontrollierten hin zur kontrollierten Erzeugung von Emittern mit ausgewählten Fluorophoren eröffnet.“

In dieser Arbeit haben die Autoren somit eine wertvolle und hochauflösende Methode entwickelt, welche eine detaillierte Charakterisierung von Geweben auf zellulärer und subzellulärer Ebene ermöglicht. In ihren Worten stellt die quantitative Raman-Bildgebung „einen wichtigen Schritt zur Entwicklung markierungsunabhängiger, quantitativer Analysetechniken für 3D biologische Proben dar“.

Der WITec Paper Award 2025 ist offen für Einsendungen

Die WITec-Jury freut sich auf viele bemerkenswerte Beiträge zum WITec Paper Award 2025. Publikationen sind teilnahmeberechtigt, wenn sie im Jahr 2024 (in gedruckter Form oder online) in einer Peer-Review Fachzeitschrift veröffentlicht wurden und Daten enthalten, die mit einem WITec-Gerät aufgenommen wurden. Senden Sie Ihre Veröffentlichungen bis zum 31. Januar 2025 als PDF an papers@WITec.de und sichern Sie sich Ihre Gewinnchance.