Nanowaage für einzelne Zellen

Ein interdisziplinäres Team der Universität Basel, der ETH Zürich und des University College in London hat eine neue Methode entwickelt, mit der sich die Masse einzelner lebender Säugetierzellen in einem Zellverbund analysieren lässt. Die auf winzigen Federbalken beruhende Technik erfasst die Zellmasse in Millisekunden Schritten über mehrere Tage mit einer Genauigkeit von wenigen Picogramm. Die Wissenschaftler konnten mit der neuen Technik erstmals beobachten, dass die Zellmasse innerhalb von Sekunden fluktuiert. Diese Erkenntnisse und die neue Plattform liefern fundamentale Erkenntnisse über die Regulierung der Zellmasse und wie diese im Krankheitsfall gestört ist. Die Studie wurde heute in der Wissenschaftszeitschrift «Nature» vorgestellt.

Schon bei kurzem Kontakt haftet eine einzelne Zelle der Zellkultur an dem schwingenden Federbalken. Dadurch ändert sich die Masse des Federbalkens und damit seine Schwingungsfrequenz. Über einen Laser lässt sich dies erfassen und mit der geänderten Masse korrelieren. (Abbildung: Dr. David Martínez-Martín und Gotthold Fläschner, ©D-BSSE, ETH Zürich)

Die Regulierung von Grösse, Volumen und Masse lebender Zellen ist elementar für unsere Gesundheit. Eine Störung dieser physiologischen Vorgänge kann Übergewicht oder die Entwicklung bösartiger Tumore zur Folge haben. Während sich Grösse und Volumen relativ genau mikroskopisch untersuchen lassen, war die Untersuchung der Masse einzelner Zellen einer Zellkultur aus technischen Gründen bisher nicht möglich.

Winzige Federbalken sind entscheidend
Ein Team von Wissenschaftlern des Swiss Nanoscience Institutes (SNI), des Departements Physik der Universität Basel, des Departements Biosysteme der ETH Zürich in Basel (D-BSSE) und des University College in London hat nun eine Methode entwickelt, mit der sich die Masse einzelner lebender Zellen in einem Zellverbund über mehrere Tage erstmals verfolgen lässt, ohne dabei die Zellen zu zerstören.

Dabei wird zunächst ein winziger Silizium-Federbalken funktionalisiert, sodass Zellen gut daran haften. Für die Messung wird der Federbalken in Schwingung versetzt. Er befindet sich in einer speziellen Kammer, in der Luftfeuchtigkeit, Gaszusammensetzung und Temperatur konstant gehalten werden. Unter einem optischen Mikroskop wird diese Kammer über der Zellkulturschale positioniert und der Federbalken mit einer Zelle in Kontakt gebracht, die dann schnell an dem Federbalken haftet. Der Federbalken wird anschliessend sofort zurückgezogen, um den Kontakt mit weiteren Zellen zu vermeiden. Durch die haftende Zelle ändert sich die Masse des Federbalkens und damit seine Schwingungsfrequenz. Über einen Laser lässt sich dies erfassen und mit der geänderten Masse korrelieren.

Fluktuation bedeutet Leben
Dr. David Martínez-Martín und Gotthold Fläschner aus dem Team von Professor Daniel Müller vom D-BSSE haben die Waage mit der Unterstützung von Sascha Martin, Leiter der mechanischen Werkstatt des Departements Physik, und des Nano Imaging Labs des SNI entwickelt und getestet. Sie untersuchten zunächst zwei verschiedene Zelllinien und stellten fest, dass die Masse der Zellen innerhalb von Sekunden um ein bis vier Prozent um den Mittelwert schwankt. Es scheint, als ob Zellen diese Schwankungen einsetzen, um ihre Masse zu regulieren. An diesem Prozess sind grundlegende Stoffwechselprozesse wie ATP-Synthese und Wassertransport beteiligt. Die Variation der Masse tritt dabei in allen Zellzyklen auf – auch wenn die Zellen nicht wachsen – und endet erst mit dem Zelltod.

Plattform für weiterführende Untersuchungen
Durch die neue Technik bietet sich Wissenschaftlern eine einfach anzuwendende Plattform, die es erlaubt, die Masse von einzelnen Zellen einer Zellkultur über einen Zeitraum von mehreren Tagen zu verfolgen, wobei die einzelnen Messungen im Abstand von Millisekunden erfolgen können.

Da Zellen sich im Wachstum teilen und dies mit einer Massenzunahme einhergeht, ist die Masse einer Zelle ein wichtiger Parameter, um gesunde wie auch gestörte physiologische Abläufe in der Zelle zu untersuchen. Das Verständnis dieser Vorgänge in einzelnen Zellen wird helfen, die Entstehung und Entwicklung von Krankheiten wie Krebs oder Fettleibigkeit besser zu erfassen und bietet neue Ansätze für die Suche nach geeigneten Therapien

Swiss Nanoscience Institute
Das Swiss Nanoscience Institute (SNI) an der Universität Basel ist ein Exzellenzzentrum für Nanowissenschaften und Nanotechnologie. Es wurde 2006 vom Kanton Aargau und der Universität Basel gegründet, um Forschung, Ausbildung und Technologietransfer in den Nanowissenschaften und der Nanotechnologie in der Nordwestschweiz zu fördern. Im SNI-Netzwerk wird grundlagenwissenschaftliche Forschung in ganz unterschiedlichen Bereichen betrieben. Zudem werden im Rahmen des Nano-Argovia-Programmes zahlreiche angewandte Forschungsprojekte in Zusammenarbeit mit Unternehmen aus der Nordwestschweiz unterstützt. Durch die Hightech-Strategie des Kanton Aargau, in der Nanotechnologie ein wichtiger Pfeiler der Innovationsförderung ist, kommt dem SNI eine noch bedeutendere Rolle als Bindeglied zwischen Spitzenforschung und Wirtschaft zu. Grossen Wert wird am SNI auch auf die Ausbildung des wissenschaftlichen Nachwuchses gelegt und sowohl ein Bachelor- wie auch ein Masterstudium in Nanowissenschaften sowie eine Doktorandenschule angeboten (www.nanoscience.ch).

 

Originalbeitrag:

Nature 550, 500–505, (26 October 2017)
doi:10.1038/nature24288, http://www.nature.com/nature/journal/v550/n7677/full/nature24288.html

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Christoph Gerber, Swiss Nanoscience Institute, Klingelbergstrasse 82, 4056 Basel
+41 61 207 3737, christoph.gerber@unibas.ch

Prof. Dr. Daniel Müller, Department of Biosystems Science and Engineering, ETH Zürich in Basel, Mattenstrasse 26, 4058 Basel
+41 61 387 3307, daniel.mueller@bsse.ethz.ch