Wissenschaftlern ist es erstmals gelungen stoffwechselresistente Mikrokapseln in lebende Zellen einzuschleusen und deren Inhalt durch Laserimpuls zu einem bestimmten Zeitpunkt gezielt freizusetzen. In einem ersten Test diente die Methode dazu, intrazelluläre Immunprozesse zu markieren und sichtbar zu machen. Die Forscher konnten so das Geschehen vom Freisetzen zellfremder Proteine im Zellinneren bis zu deren Einbau als Antigene an der Zelloberfläche verfolgen.
Viele Stoffwechselprozesse der Zelle, wie zum Beispiel die Immunantwort auf Virus-Infektionen, lassen sich nur dann entschlüsseln, wenn Forscher die Transport- und Umsetzungsschritte der beteiligten Substanzen zeitgenau nachvollziehen können. Dafür verwenden sie oft Markermoleküle, deren Schicksal sie in den Zellen mit verschiedenen Nachweismethoden verfolgen. Viele dieser Methoden haben einen entscheidenden Nachteil: Die molekularen Marker können nicht in ausreichender Menge in die lebenden Zellen eingeschleust werden. Andere Präparationsmethoden mit höheren Reagenz-Konzentrationen beeinträchtigen wiederum die Zellfunktionen und somit den normalen Ablauf der untersuchten Prozesse.
Mikroshuttles aus Kunststoff mit Nano-Goldteilchen
Wissenschaftler des Max-Planck-Institutes für Kolloid- und Grenzflächenforschung in Potsdam-Golm, der Jacobs University Bremen und der Queen Mary University London haben nun eine Mthode entwickelt, um lebende Zellen möglichst schonend mit definierten Mengen experimenteller Marker zu präparieren und diese dann kontrolliert zu einem definierten Zeitpunkt im Zellinneren freizusetzen. Letzteres sollte erst geschehen, nachdem sich die Zellen von negativen Präparationseffekten erholt haben.
Für die Substanz-Einschleusung entwickelten die Forscher „Miniaturshuttles“ aus speziellen stoffwechselresistenten Kunststofffasern mit eingelagerten Nano-Goldpartikeln. Die Mikrotransporter besitzen einen Durchmesser von rund zwei Mikrometern, was der Größe eines kleinen Bakteriums entspricht. Hergestellt werden die Kapseln, indem man die Kunststofffasern netzartig um einen mineralischen Kern wickelt, der dann durch Säure herausgelöst wird. Die so entstandenen porösen Mikro-Hohlkugeln können die gelöste Testsubstanz aufsaugen und werden dann versiegelt, indem die Kunststoffmoleküle durch Erwärmen geschrumpft und die Poren so verschlossen werden.
Infrarotlaser schmilzt Kapselwand auf
In die lebenden Zellen gelangen die gefüllten Kapseln mittels Diffusion durch die Zellwände. Durch Elektroporation, eine Art Elektroschockbehandlung, werden diese für Partikel dieser Größe durchlässig gemacht. Um die Testsubstanz im Zellinneren freizusetzen, werden die Zellen dann mit einem Infrarotlaser beschossen, der die Zellen nicht schädigt, jedoch von den Nano-Goldpartikeln in den Kapselwänden absorbiert wird. Die „Shuttles“ erhitzen sich dadurch, die Kapselwände schmelzen auf.
Zum Test der Methode schleusten die Wissenschaftler Mikrokapseln mit künstlichen, fluoreszenzmarkierten Proteinfragmenten in das Innere von lebenden Nagetierzellen in flüssiger Nährlösung ein. Damit lösten sie kontrolliert eine Immunantwort der Zellen, die sogenannte Antigenpräsentation, an der Zelloberfläche aus. Nach der Freisetzung der Marker durch Laserimpuls konnten die Forscher die Ausbreitung der zellfremden Peptidmarker in der Zelle, ihre Aufnahme durch Protein-Komponenten des Immunsystems, den sogenannten MHC-Proteinen, und ihren Transport an die Zelloberfläche sowie ihren dortigen Einbau als Antigene in hoher zeitlicher Auflösung unter dem Fluoreszenzmikroskop beobachten.
Mit verschiedenen Inhalten befüllbar
Die neuentwickelte Methode der Kapselherstellung ist besonders vielseitig, da sehr verschiedene Polymere und Nanopartikel verwendet und somit maßgeschneidert werden können. Die Gruppe um André Skirtach und Helmuth Möhwald konnte zudem zeigen, dass die Kapselwand nur für die Dauer des Laserpulses und nur lokal im Bereich von 30 Nanometern Umkreis aufgeschmolzen wird. Damit können viele Freisetzungsprofile und Substanzmengen erreicht werden, was wiederum ein großes Einsatzgebiet eröffnet, so zum Beispiel die Umprogrammierung oder Selektion von Zellen in der Stammzellforschung.
Einsatz für Therapie nicht unwahrscheinlich
„Für die Therapie erscheint die Methode nur auf den ersten Blick ungeeignet. Bedenkt man jedoch, dass Infrarotlicht extra einen Zentimeter tief in ein Gewebe eindringen kann und das in der Medizin die Diagnose und Therapie mit Lichtleitfasern immer verfeinerter erfolgt, ist auch eine lichtinduzierte Wirkstofffreisetzung im Gewebe keine Utopie mehr“, erklärt Möhwald, Direktor der Abteilung Grenzflächen am Max-Planck-Institut. Für eine derartige Entwicklung ist jedoch noch eine langjährige Grundlagen- und auch angewandte Forschung nötig.
(Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung, Potsdam, 19.08.2009 – NPO)
