Schnell und präzise: Forscher haben eine Waage entwickelt, die lebende Zellen in Echtzeit wiegen kann. Erstmals lassen so auch winzige Gewichtsveränderungen erfassen – und das mit einer Auflösung von Millisekunden und Billionstel Gramm. Schon erste Wiegetests enthüllten dadurch Überraschendes: Die Masse von lebenden Säugetierzellen fluktuiert ständig im Sekundentakt. Diese subtile Oszillation spiegelt Prozesse im Zellstoffwechsel wider, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature“ berichten.
Ob Regenwurm, Sonnenblume oder Mensch – wir alle bestehen aus Zellen. Deren Form, Größe und Gewicht wird entscheidend von den Stoffwechselvorgängen im Inneren dieser kleinsten Einheiten des Lebens bestimmt. Das Gewicht lebender Zellen und vor allem dessen Veränderung kann daher wertvolle Informationen darüber liefern, was in ihrem Innern vorgeht. Doch diese Veränderungen in Echtzeit genau zu messen, war bisher nicht möglich. Es gab schlicht keine geeignete Messmethode.
Kopfüber aufgehängt
Das hat sich nun geändert. Denn Daniel Müller von der ETH Zürich und seine Kollegen haben eine neuartige Zellwaage entwickelt, die genau diese Aufgabe bewältigen kann. Für die Wägung werden die Zellen unter kontrollierten Bedingungen in eine Zellkulturkammer gegeben. Der Wägearm, ein hauchdünnes, transparentes und mit Collagen oder Fibronektin beschichtetes Siliziumplättchen, wird zum Boden der Kammer heruntergefahren. Berührt er eine Zelle, nimmt er sie auf.
„Für die Messungen hängt die Zelle quasi kopfunter an der Unterseite eines winzigen Federbalkens“, erklärt Gotthold Fläschner von der ETH Zürich. Ein blauer, gepulster Laser bringt nun die Basis des Federbalkens zum Schwingen. Ein zweiter, infraroter Laserstrahl misst am Vorderende, wo die Zelle hängt, die Schwingungen- einmal mit und einmal ohne Zelle.
Schwingungs-Differenz verrät Masse
„Aus der Differenz der beiden Schwingungen lässt sich die Masse der Zellen errechnen“, erklärt David Martínez-Martin. Ein Computerbildschirm stellt das Gewicht und dessen Veränderung als Kurve dar. Forscher können dies über den gesamten Zeitraum der Messung – seien das nun Millisekunden oder Tage – in Echtzeit ablesen.
So lässt sich beispielsweise verfolgen, wie sich das Gewicht während Zellzyklus und Zellteilung verändert, welchen Einfluss verschiedene Substanzen auf die Masse der Zellen haben oder was passiert, wenn ein Virus sie befällt. Weil die Messapparatur samt Zellkultur direkt auf dem Objekttisch eines Fluoreszenzmikroskops montiert ist, kann zusätzlich zur Gewichts-Messung alles, was gleichzeitig im Innern der Zellen vorgeht, gefilmt und beobachtet werden.
Subtile Fluktuationen
Schon die ersten Messungen mit dieser Zellwaage enthüllten Überraschendes: „Wir haben festgestellt, dass das Gewicht lebender Zellen kontinuierlich um ein bis vier Prozent schwankt“, berichtet Martínez-Martín. Angetrieben von Energiehaushalt und Wassertransport zeigen die Zellen während ihres gesamten Zellzyklus solche schnellen und subtilen Massefluktuationen. Tote Zellen zeigen diese Schwankungen im Sekundenbereich dagegen nicht, wie die Biophysiker feststellten.
Die Forscher sind begeistert: „Wir sehen hier Dinge, die noch niemand vor uns beobachtet hat“, sagt Fläschner. Die Zellwaage ist jedoch nicht nur für die zellbiologische Grundlagenforschung interessant, sondern auch für Medizin und Pharmaindustrie. Man könnte damit das krankhafte Wachstum von Zellen untersuchen oder den Einfluss von Medikamenten auf den Zellstoffwechsel testen. Auch Materialwissenschaftler interessieren sich bereits für die Waage. „Dort geht es vor allem um die sogenannte Funktionalisierung von Nanopartikeln, also darum, die Oberflächen von sehr kleinen Partikeln zu verändern“, erklärt Martínez-Martín.
Die Wissenschaftler haben ihre neue Wäge-Methode patentieren lassen. Die Schweizer Firma Nanosurf AG arbeitet als Lizenznehmerin bereits an einem serienreifen Gerät. Die Chance, dass Wissenschaftler verschiedenster Disziplinen die Zellwaage bald nutzen können, stehen daher gut. (Nature, 2017; doi: 10.1038/nature24288)
(Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich), 27.10.2017 – NPO)
