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K-Regio project 2011-2014: O2k-Fluorometer

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Mitochondriale Kompetenz: Der OROBOROS O2k ist für Messungen der Zellatmung weltweit führend. Die Entwicklung des O2k-Fluorometers setzt Kooperationen zwischen Medizinischer Universität Innsbruck, OROBOROS INSTRUMENTS und WGT-Elektronik fort und erweitert unsere internationale Stellung in der mitochondrialen Physiologie.

K-Regio Projekt MitoCom Tyrol

Antragsteller: Medizinische Universität Innsbruck, A.Univ.-Prof. Dr. Erich Gnaiger

Antrag: 2011-04-15; Bewilligung: 2011-07-13 (Gesamtbudget € 1.05 Mill)

Projektdauer: 2011-05-01 bis 2014-07-31

Der von OROBOROS INSTRUMENTS (Innsbruck) entwickelte O2k ist weltweit das führende Gerät zur Messung der Zellatmung. Das Ziel des Projektes ist die Entwicklung, Anwendung und Evaluierung eines neuen hochauflösenden Messgerätes, des O2k-Fluorometers, welches auf dem von uns entwickelten OROBOROS O2k aufbaut: Diese Weiterentwicklung basiert auf der langjährigen Erfahrung der Arbeitsgruppe von A.Univ.-Prof. E. Gnaiger am D. Swarovski Forschungslabor der Medizinischen Universität Innsbruck auf dem Gebiet der mitochondrialen Physiologie, in deren methodischem Mittelpunkt die Anwendung des gemeinsam mit WGT Elektronik (Kolsass) entwickelten und produzierten O2k steht. E. Gnaiger ist auch Gründer und Direktor des spin-off Unternehmens OROBOROS INSTRUMENTS GmbH. Der O2k dient als Basis der High-Resolution Respirometrie (HHR) und ist das weltweit technologisch führende Gerät im Bereich der Diagnostik mitochondrialer Atmungsfunktionen. Die geplante Kombination des O2k mit optischen Messverfahren (Fluorimetrie, Spektrophotometrie) eröffnet die Möglichkeit der Analyse verschiedener, diagnostisch wichtiger zellulärer Funktionen gleichzeitig mit der Messung der Mitochondrienatmung. Besonders durch die mit HRR kombinierte fluorimetrische Bestimmung der Bildung von reaktivem Sauerstoff (ROS; oxidativer Stress) und des mitochondrialen Membranpotentials mithilfe etablierter fluoreszierender Farbstoffe wird unser internationaler Technologievorsprung ausgebaut. Durch diese Innovation wird ein durch den O2k eröffneter Markt (weltweit 35 Länder) nachhaltig erweitert und der für den Export entscheidende technologische ‚sole source‘ Status systematisch abgesichert.

Licht in die Kraftwerke der Zellen – Das O2k-Fluorometer

Das Projekt MitoCom befasst sich mit Mitochondrien – das sind die biochemischen Kraftwerke der Zellen. MitoCom – mitochondriale Kompetenz – hebt die besondere Bedeutung der mitochondrialen Funktion für Diagnose und Therapie besonders von vermeidbaren degenerativen Krankheiten wie Diabetes 2, Alzheimer und manche Krebsarten hervor. Mitochondriale Funktion ist entscheidend für jeden alltäglichen Schritt und wird besonders mit zunehmendem Alter von gesunder sportlicher Betätigung und Ernährung geprägt. Bewegung stimuliert nicht nur die Lungenatmung sondern auch die innere Atmung oder Zellatmung, also den Sauerstoffverbrauch durch die Mitochondrien. Im Fokus von MitoCom steht die technische Entwicklung und Anwendung der hochauflösenden Messung der Zellatmung. Als messtechnische Innovation wurde die hochauflösende Respirometrie mit der fluorometrischen Analyse von reaktivem Sauerstoff kombiniert. Dieses optische Verfahren bringt Licht in die Kraftwerke der Zellen, durchleuchtet mit höchster Präzision Funktionen und Zustände unserer Zellen, die bisher nur isoliert von deren Atmungsfunktion untersucht werden konnten. Die Diagnose mitochondrialer Funktionen stellt eine moderne Herausforderung an die biomedizinische Forschung und Entwicklung dar. Die bekannten freien Radikalen sind Ursachen für altersbedingte Krankheiten, welche unseren Bewegungsapparat aber auch die Gedächtnisleistung einschränken, können auch zu Krebs führen und sind in geringer Konzentration dennoch für eine Vielzahl physiologischer Funktionen lebenswichtig. Der Einsatz von Antioxidantien stellt deshalb eine schwierige und widersprüchliche Thematik in der Vorsorgemedizin dar. Neue Einsichten und optimierte Therapieansätze können aus der Erforschung der Zusammenhänge zwischen mitochondrialem Sauerstoffumsatz, mitochondrialen Schäden und Sauerstoffradikalproduktion gewonnen werden. Dabei soll die neue Methode der O2k-Fluorometrie einen wesentlichen Beitrag leisten: Als erstes Messgerät weltweit ermöglicht das Fluoreszenzmodul (eine Vorstufe des O2k-Fluorometers) in Kombination mit dem O2k eine Analyse der wichtigsten Zellparameter in einem Experiment unter den gleichen Bedingungen. Bereits während der dreijährigen Laufzeit des MitoCom Projekts konnte das O2k-Fluoreszenzmodul erfolgreich eingeführt und an über 100 international führende Labors verkauft werden. Das verspricht neue Einsichten in die Kraftwerke der Zellen und könnte der mitochondrialen Forschung zu einem breiten Durchbruch verhelfen.

Mitochondrial Competence Tyrol: Healthcare and Sport

Im Rahmen des K-Regio Projekts MitoCom Tyrol wird die Etablierung eines Kompetenzzentrums für Klinische Mitochondriale Physiologie und Leistungsdiagnostik vorbereitet. In dem Projekt MitoCom Tyrol arbeiten drei Institute der Medizinischen Universität Innsbruck mit einem Institut der Stammuniversität Innsbruck und zwei Innsbrucker Kleinbetrieben über einen Zeitraum von drei Jahren eng zusammen. Für die Forschungsinstitutionen bedeutet dies wirtschaftsnahe Kooperationsforschung. Das Zentrum dient als Grundlage für den Aufbau eines international anerkannten Diagnostik-, Präventions- und Therapiezentrums für Erkrankungen des mitochondrialen Energiestoffwechsels, das auch nach Ablauf der Förderung dauerhaft fortbestehen soll.

MitoCom Tyrol will biomedizinische Wissenschaft und Forschung öffentlichkeitswirksam nahebringen als Marke für nachhaltige Lebensqualität: Tirol – ein Herz für Sport.

Stärkung und Verknüpfung bestehender Forschungsschwerpunkte der MUI:

MitoCom Tyrol vernetzt die vorhandenen medizinischen Schwerpunkte der MUI, da die mitochondrialen Störungen eine Vielzahl von Organen und Geweben von Skelettmuskeln, dem kardiovaskulären System, Leber und Niere über endokrine Organe bis zum Nervensystem betreffen und insbesondere für die Krebsentstehung und degenerative Krankheiten eine entscheidende Rolle spielen. Darüber hinaus verbindet und stärkt das Zentrum die geplanten Forschungsschwerpunkte Alternsforschung/Geriatrie (Mitochondrienfunktion und altersbedingte Erkrankungen) und Sportmedizin (Leistungsdiagnostik über Mitochondrienfunktion und -qualität). Die universitäre Foschung mit integrativem Bezug zu mitochondriellen Funktionen und Dysfunktionen soll zu den drei bestehenden Forschungsschwerpunkten an der MUI (Oncoscience, Neurowissenschaften, Infektiologie und Immunität) intensiviert und ausgebaut werden. Das Know-How und die für mitochondrielle Diagnostik und Sportmedizin geschaffenen Strukturen können unmittelbar in direkte Kooperationen mit den medizinischen und Forschungsschwerpunkten übertragen werden. Die Sportmedizin mit Bezug zur aeroben, mitochondrial unterstützten Stoffwechelleistung profitiert in Forschung und Lehre durch eine Optimierung der Betreuung, Grundlagenforschung und postpromotionellen Ausbildung.

Für die personalisierte Diagnostik und Prävention von mitochondrialen Stoffwechseldefekten ist eine multidisziplinäre Zusammenarbeit erforderlich, bei der die beteiligten Partner ihre Expertise in der Durchführung von Belastungstests, hochauflösender Respirometrie, Muskelenergetik (MRI) bis hin zu genetischem Fingerprinting (mitochondrielle Haplotypisierung) einbringen.

Die an der MUI und LFU bestehenden Strukturen begünstigen die translationale Forschung zum Aufbau einer Technologieplattform für ‚Mitochondrial Comprehensive Exercise Testing‘ mit innovativer apparativer Ausstattung auf höchstem Niveau, welche durch die Beteiligung von Firmen entscheidend vorangetrieben wird und zur kommeriziellen Nutzung von Forschungsergebnissen beiträgt.

Ziel: Aufbau eines „Centre of Excellence" für Klinische Mitochondriale Physiologie und Leistungsdiagnostik:

o Leistungssport (Abklärung Leistungsabfall, Trainingsoptimierung,..) o Gesundenuntersuchung (“Lifestyle-Analysen”, kardiologische Parameter, Ernährung) o Klinische Diagnostik (altersbedingte Erkrankungen, Krebserkrankungen, seltene Erkrankungen....) o Screening für pharmakologische Interventionen

Die MUI ist im Rahmen des MitoCom Netzwerkes aktuell an einem im Jänner 2011 eingereichten „European Initial Training Network on MITochondrial Physiology and AGE-related Diseases“ (EURMITAGE FP7-PEOPLE-2011-ITN) beteiligt.

Feedback, Vernetzung und Kommunikation

Die personelle Expertise und Wertschöpfung werden durch die in Kooperation mit WGT vereinten Bereiche von Forschung, Entwicklung, Produktion, Anwendung und internationalem Vertrieb und Service im Team gebündelt. Der Verkauf und Kundenkontakt findet direkt aus unserem Betrieb statt (nur in China und Japan operieren wir mit Vertriebspartnern). 2010 und 2011: über 95% Export; 1.6 Mill € Jahresumsatz von OROBOROS INSTRUMENTS; 60 Geräte pro Jahr). Gewinne fließen in Forschung und Entwicklung zurück, wobei kontinuierliche Innovation und Kundennähe die wirksamsten Schutzstrategien gegenüber eventuell durch Konkurrenzunternehmen getätigten Kopierversuchen darstellen.

Die Management-Initiativen stehen im Zeichen der Synergie und Vernetzung von Forschung und Entwicklung:

• Vernetzung zwischen akademischen Partnern der beiden Innsbrucker Universitäten, der Firma OROBOROS INSTRUMENTS GmbH und WGT-Elektronik GmbH & CoKG – formalisiert in einem K-Regio Konsortialvertrag; transparentes und interkommunikatives Reporting auf der wiki-Website: MitoCom_News.
• Vernetzung interdisziplinärer Forschung: über 900 O2k-Publikationen: O2k-Publications.
• OROBOROS INSTRUMENTS stellt mit seinem Forschungslabor eine Core-Facility zur mitochondrialen Diagnostik für die beiden Universitäten Innsbruck wie auch für internationale Kooperationen zur Verfügung.
• Internationale Vernetzung in der Forschung: Mitochondrial Physiology Society Conferences: Erich Gnaiger ist Mitbegründer der internationalen ‚Mitochondrial Physiology Society‘ (http://www.mitophysiology.org) und seit 2003 Chairman; Organisation von MiP-Conferences und MiP-Workshops (http://www.mitophysiology.org/?MiP2010).
• Internationale Vernetzung in der Lehre: über 75 O2k-Workshops und fünf MiPsummer Schools (http://www.mitophysiology.org/?MiPschool-2012).
• Internationales Kundennetzwerk: O2k-WorldWide mit mehr als 230 OROBOROS MiPNet-Referenzlabors (MiPNet_Reference_Laboratories) von mehr als 490 Kunden in 37 Ländern.

Stand: Jan. 2013

Das Logo von MitoCom Tyrol basiet auf MiPArt von Odra Noel.

Das O2k-Fluorimeter und mitochondriale Physiologie