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Analysetechnik: Zellen unter Druck

An der TU Dresden haben Wissenschaftler ein Analyseverfahren entwickelt, mit dem sich die mechanischen Eigenschaften von 100.000 biologischen Zellen in nur zwei Minuten auswerten lassen. Damit ist es deutlich schneller als übliche Methoden.

Zellmechanik Dresden Bildquelle: © Zellmechanik Dresden

Woran erkennen Sie, dass eine Avocado reif ist? Sie prüfen die Festigkeit der Frucht, indem Sie sie zusammendrücken. Je weicher sie ist, desto reifer ist sie. Ähnlich verhält es sich mit biologischen Zellen. Ihre mechanischen Eigenschaften erlauben vielfältige Rückschlüsse. So werden beispielsweise bestimmte weiße Blutkörperchen zu Beginn einer Infektion weicher. Viele Arten von Krebszellen sind leichter verformbar als gesunde Zellen und anhand der Festigkeit einer Zelle kann der Status des Zellzyklus abgeleitet werden.f

Wer will schon 24 Stunden lang messen?

Mit herkömmlichen Techniken konnten bisher innerhalb von einer Stunde maximal 100 Zellen abgetastet werden. Ein Tropfen Blut enthält jedoch bereits 10.000 weiße Blutkörperchen. Um eine aussagekräftige Menge davon zu analysieren, müsste man durchgehend 24 Stunden messen. Für eine routinemäßige, wirtschaftliche Anwendung in den Lebenswissenschaften oder der Medizin sind diese Techniken zu kompliziert und zu langsam.

Generell hängt es vom Zellskelett ab, ob eine Zelle weich oder fest ist. Behandelt man Zellen mit dem Toxin Cytochalasin D, das den Aufbau von Aktinfilamenten unterdrückt, erhöht sich die Verformbarkeit und die Zellen werden weicher. Der Auf- und Abbau von Aktin und anderen Zellfilamenten spielt im Verlauf des Zellzyklus‘ eine entscheidende Rolle. Bei Deformations-Messungen führt dies zu unterschiedlichen Zellpopulationen.

Auch bei der Ausdifferenzierung von Stammzellen verändern sich Zellfestigkeit und Größe. Stammzellen aus peripherem Blut, die nach Zugabe bestimmter Stoffe angereichert und mit Hilfe magnetischer »Beads« isoliert wurden, sind durchgehend klein (ca. 50 µm²) und steif. Differenzieren sie zu Monozyten, Granulozyten und Makrophagen, ändert sich sowohl ihre Festigkeit als auch ihre Größe. Granulo- und Monozyten werden nur etwas größer als die ursprüngliche Stammzellpopulation (etwa 100 µm²), aber deutlich weicher. Bei Makrophagen verringert sich die Verformbarkeit, gleichzeitig werden sie erheblich größer (zwischen 100 µm² und 300 µm²). Diese Eigenschaften spiegeln die Funktionalität der Zellen wider und können beispielsweise mit unterschiedlichen Migrationspotentialen verbunden sein.