Winzige Laser in Zellen bringen die Bildgebung in der biomedizinischen Forschung voran
Das Verhalten von Zellen im Körper zu beobachten, kann Antworten auf viele biomedizinische Fragen liefern, wie zum Beispiel bezüglich des invasiven Wachstums von Krebszellen und der Metastasierung. Allerdings können bestehende Zellmarkierungsverfahren nur zwischen einer begrenzten Anzahl verschiedener Zellen differenzieren oder sie erfordern zerstörendes Lesen, wobei die Zelle getötet wird.
Laserkügelchen, die eine einzigartige Frequenz ausstrahlen
Die Forschungsgruppe des vom Europäischen Forschungsrat finanzierten Projekts ABLASE entwickelte winzige Laser, einige davon kleiner als das Volumen eines Zellkerns, die effizient in Zellen eingebracht werden können. „Unser Ziel war es, Zellen auf einzigartige Weise zu markieren, ohne deren Eigenschaften und Verhaltensweisen zu beeinflussen“, erklärt der vom Europäischen Forschungsrat geförderte Stipendiat und Hauptforscher Malte Gather, Professor an der Universität St. Andrews. Diese Mikrolaser bestehen aus Halbleiterscheiben oder biokompatiblen Kügelchen mit einer grünen fluoreszierenden Färbung. Bei einer Anregung durch Lichteinwirkung strahlen sie Laserlicht aus, das je nach Größe des Kügelchens eine einzigartige Zusammensetzung mehrerer schmalbandiger Peaks aufweist. Indem sie Kügelchen verschiedener Größe verwenden, sind die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in der Lage, Emissionsmuster zu generieren, anhand derer sie jeden Laser verlässlich von den anderen unterscheiden können, ähnlich wie bei Barcodes zur Identifizierung und Nachverfolgung von Päckchen. Unter Verwendung eines Verfahrens der Molekularbiologie, die normalerweise zum Transfer fremder DNS in Zellen verwendet wird, konnte die Forschungsgruppe von ABLASE die Laser in verschiedene Zellarten einbringen, darunter auch in Zellen, die an der Immunantwort beteiligt sind. Diese Methodik ermöglicht es, Laserkügelchen in Zehntausende Zellen zur gleichen Zeit einzubringen. Das Team untersuchte dann, welche Energiemenge erforderlich ist, um die Laser zum Ausstrahlen zu bringen, sowie deren Größe, Stabilität und Biokompatibilität. Bei den neuesten Laserdesigns des Teams beginnt die Lasertätigkeit bereits bei geringfügigster Lichtanregung – weniger Energie als in der Biologie für viele moderne optische Mikroskope verwendet wird –, was die Auswirkungen auf die Zellen minimiert. Die zellulären Laser haben auch bewiesen, dass sie während verschiedener zellulärer Vorgänge stabil und in den Zellen bleiben. Interessanterweise übertragen Zellen die Laser an ihre Nachkommen, ohne dass es zu offensichtlichen Veränderungen wichtiger Zellenfunktionen kommt, was eine Nachverfolgung vieler Generationen von Zellen erleichtert. Indem mehrere Laser in die Mutterzellen eingebracht werden, kann das Verfahren von ABLASE alle Nachkommen einer Zelle nachverfolgen und auch mehr Zellen einzigartig markieren als vorher gedacht.
Forschungsrelevanz und Zukunftsperspektiven
Die Projektaktivitäten von ABLASE haben die Verwendung von Einzellenlasern in der biomedizinischen Forschung vorangebracht und verfügen über das Potenzial, Einsichten in grundlegende biologische Vorgänge wie die Zellmigration im Körper zu gewähren. „Die Verwendung von Einzellenlasern ist ein neuartiges Konzept, deswegen hat sich ABLASE natürlich mit Machbarkeitsnachweisen, grundlegender Forschung und Entwicklung sowie mit ersten Schritten hin zu Anwendungsfällen befasst“, betont Gather. Zukünftige Pläne umfassen eine weitere Verkleinerung der Laser, sodass sie noch leichter in Zellen eingebracht werden können, sowie einen höheren Durchsatz beim Herstellungsvorgang der Laser. Darüber hinaus erhofft sich die Forschungsgruppe von ABLASE, die Laser in vivo erproben zu können, ihre Anwendungsgebiete durch eine bessere Leistung auszuweiten und sie dazu zu bringen, auf Veränderungen der biologischen Marker in der Zelle zu reagieren. Es steht außer Frage, dass noch mehrere weitere technologische Verbesserungen nötig sind, bevor Einzellenlaser weitläufig eingesetzt werden können. Dennoch haben sie enormes Potenzial, was Zellmarkierungsanwendungen angeht, und können in der Sensorik in lebenden Zellen und Geweben eingesetzt werden. Seit ABLASE seine Arbeit aufgenommen hat, haben auch andere Forschungsgruppen auf der ganzen Welt erheblich Beiträge zum aufkommenden Bereich der Einzellenlaser geleistet und dessen Entwicklungspotenzial verstärkt.
Schlüsselbegriffe
ABLASE, Laser, Kügelchen, Zellverfolgung, Einzellenlaser
