Zellen im Labor: Mit dem richtigen Werkzeug zum Erfolg

Alles beginnt mit der Zelle – auch in der Medizin. Biochemiker und Pharmakologen erforschen neue Wirkstoffe, Mediziner studieren spezifische Zelleigenschaften und wollen das natürliche Potenzial von Stammzellen nutzbar machen. Im Labor wird an Zellen und Zellkulturen erprobt, was sich prinzipiell zur Heilung eignen kann, bevor es mit dem lebenden Organismus in Kontakt kommt.

03.02.2014

Foto: Zelle

© panthermedia.net/nobeastsofierce

Was eine Zelle ist, weiß die Wissenschaft bereits seit dem Ende des 17. Jahrhunderts – zu dieser Zeit wurden die ersten Pflanzenzellen, Bakterien und Einzeller entdeckt und beschrieben. Heute sind Zellen Gegenstand der medizinischen Grundlagenforschung, dabei aber nicht unproblematisch: Sie sind nicht nur zu klein, um sie direkt sehen zu können. Auch ihre Manipulation ist schwierig und kann das Forschungsergebnis verfälschen.

Mit der Pinzette gegriffen

Mit moderner Technologie will die Wissenschaft die Zelle wörtlich „in den Griff bekommen“. Dazu hat das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (Fraunhofer IPT) ein Hybridgerät entwickelt, das Zellen berührungsfrei darstellen und festhalten kann. „Wir kombinieren die digital-holographische Mikroskopie mit einer optischen Pinzette“, verrät Stephan Stürwald, Gruppenleiter am IPT. Der Hintergrund für die Entstehung des Gerätes ist die Methode, mit der bisher die Wirkung von Stoffen auf Zellen untersucht wird. In Mikrofluidik-Chips werden Zellen mit potenziellen Pharmazeutika konfrontiert. Dabei muss jede einzelne Zelle in einem eigenen Hohlraum untersucht werden, damit sich die Zellen nicht gegenseitig beeinflussen. Dabei ist es enorm schwierig, die Zellen einzeln in die Hohlräume zu befördern. Bisher werden sie zusammen mit ihrer Nährlösung hinein geschwemmt. So ist aber nicht gewährleistet, dass sich genau eine Zelle in jedem Hohlraum befindet. Es könnten ebenso gut mehrere Zellen sein oder sie könnten wieder heraus geschwemmt werden.
Hier kommt die optische Pinzette ins Spiel, bei der es sich um einen Laserstrahl handelt: Er hält die Zelle durch seinen Strahldruck fest oder transportiert sie. Die Forscher des Fraunhofer IPT können Zellen damit nicht nur voneinander trennen, sondern auch positionieren und in Mustern anlegen, um so ihre Interaktionen zu erforschen. Das digital-holographische Mikroskop wiederum ermöglicht den Blick auf die Zellen. Es zeigt sie als computergenerierte Hologramme und zwar ohne die Notwendigkeit, Marker zum Einfärben zu verwenden.
Foto: Nanopartikel

Magnetische Nanopartikel mit einer Hülle aus Eiweißen können sich an Krebszellen binden und ihre präzise Filterung aus dem Blut ermöglichen; © panthermedia.net/Wolfgang Rieger

Mit Magneten herausgefiltert

Keinen optischen, sondern einen mechanischen Weg verfolgen Forscher in der Diagnostik, um Krebszellen festzusetzen. „Liquid Biopsy“ bezeichnet einen Ansatz, mit dem Krebszellen aus dem Blut gefiltert werden können. Dazu kommen lange Molekülketten zum Einsatz, die auf die Oberfläche der gesuchten Zellen abgestimmt sind, wie Dr. Gunther Gastrock vom Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik e.V. (IBA) in Heilbad Heiligenstadt erklärt: „Im Prinzip kann man alle Zellen mit spezifischen Bindungsstellen an ihrer Oberfläche mit dem entsprechenden Antikörper binden und so selektieren.“ Das IBA hat den Prototypen eines Zellseparators entwickelt, in dem Nanopartikel aus Eisenoxyden sich mit einer Eiweißhülle an Krebszellen binden. Mit einem Magnet wird der gesuchte Zelltyp an den Nanopartikeln aus dem Blutstrom gezogen und kann analysiert werden.

Mikrofluidische Chips für Liquid Biopsy holen Krebszellen auch bei geringer Zellkonzentration mit hoher Zuverlässigkeit aus dem Blut. „Im Blut zirkulierende Tumorzellen werden eine wichtige Rolle bei der Frühdiagnose von Krebs spielen. Außerdem können wir über Liquid Biopsy die Reaktion auf die Behandlung in Echtzeit feststellen und sehen, ob eine Behandlung auch anschlägt“, sagt Dr. Diane Simeone, Direktorin des Translational Oncology Program am University of Michigan Cancer Center. Dort wird ein Chip entwickelt, der Krebszellen nicht nur einfängt, sondern auch für weitere Analysen kultiviert. Das Gerät könnte in drei Jahren in Kliniken eingesetzt werden.
Foto: Petrischalen

Zellen verhalten sich in Petrischalen anders als im menschlichen Körper. Um bessere Forschungsergebnisse zu erzielen, kann man ihre natürliche Umgebung im Labor nachbilden; © panthermedia.net/Sven Hoppe

Keine eintönigen Petrischalen mehr

Um verwertbare Ergebnisse zu erhalten, reicht es nicht immer, Zellen beobachten zu können. Die Forschung muss ihnen auch die passende Umgebung bieten. Zellen „verhalten“ sich im Labor anders als in ihrem natürlichen Milieu – im Labor werden sie in Nährmedien aufbewahrt und kleben flach am Boden von Petrischalen und Objektträgern, im Körper aber bilden sie mit benachbarten Zellen dreidimensionale Strukturen und lebendes Gewebe, in dem sie interagieren. Neue Materialien sollen Zellen in Zukunft auch im Labor eine körperähnlichere Umgebung bieten.

Einen möglichen Weg zeigt das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) auf: Dort wurden erfolgreich blutbildende Stammzellen vermehrt, die für die Behandlung von Krankheiten wie Leukämie eingesetzt werden. Zur Heilung erhalten Patienten gesunde Stammzellen von einem passenden Spender. Dabei können aber mitunter nicht genügend Transplantate verfügbar sein. Eine Vermehrung der Stammzellen zur Behebung dieses Mangels ist bisher nicht möglich, denn außerhalb ihrer sogenannten Mikronische im Knochenmark vermehren sich die Zellen nicht und verlieren ihre spezifischen Stammeigenschaften zur Blutbildung. Die Mikronische ist ein Bereich des Knochens, in dem die Stammzellen mit anderen Zelltypen interagieren, in dem sie Sauerstoff und Nährstoffe erhalten und dessen poröse Struktur ihnen Halt gibt.

Die Wissenschaftler des KIT um Dr. Cornelia Lee-Thedieck haben in Kooperation mit dem Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart und der Universität Tübingen die Mikronische nachgebildet. Dazu erzeugten sie aus synthetischen Polymeren eine poröse Struktur, die dem blutbildenden Knochenmark ähnelt, und ergänzten sie mit Eiweißen, an denen die Stammzellen haften können. Abschließend besiedelten sie die Struktur mit Stammzellen und ihren natürlichen Nachbarzellen. Nach mehrtägiger Inkubation konnten sie nachweisen, dass sich die Stammzellen vermehrt und zum Teil auch ihre blutbildenden Eigenschaften beibehalten hatten. Damit wurde das Ziel des Versuchs erreicht.

Diese und ähnliche Ideen, beispielsweise die Einbettung von Zellen in Hydrogelen, Mikro- und Nanostrukturen zeigen, wie Labortechniken und -technologien für aussagekräftige Forschung an und mit Zellen aussehen können. Und sie beweisen, dass man auch bei Zellen die Sache nur richtig anpacken muss, um Erfolg zu haben.
Foto: Timo Roth; Copyright: B. Frommann

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Timo Roth
COMPAMED.de