Mit Licht an Zellen zupfen - Photonik

Mit Licht an Zellen zupfen

Zur Orientierung erkunden Zellen laufend ihre Umgebung und kommunizieren mit ihren Nachbarn, indem sie an anderen Zellen oder Oberflächen haften. Nun ermöglicht eine neue Methode Zellen zu stimulieren und damit ihre Haftung zu verstärken.

Bild: Rainer Herges / Uni Kiel
Von unten eingestrahltes grünes Licht bringt Signalmoleküle (RGD) zum Vibrieren. Dieser mechanische... mehr...

Dass Zellen auf bestimmte Oberflächenstrukturen und deren chemische Zusammensetzung reagieren, ist in der Forschung schon länger bekannt. Auch gab es bereits Hinweise darauf, dass nicht nur statische Reize, sondern dynamische Vorgänge, also Bewegungen und mechanische Kräfte, ebenfalls attraktiv auf Zellen wirken. Wird zum Beispiel mit feinen Nadeln an Zellen gezogen, regt sie das an, ihre Haftung zu verstärken. „Dies ist jedoch keine sehr subtile, kontrollierte Methode, denn dadurch können sehr viele verschiedene zelluläre Prozesse beeinflusst werden“, berichtet Christine Selhuber-Unkel, Professorin für Biokompatible Nanomaterialien am Institut für Materialwissenschaft der Christian-Albrechts-Universität Kiel (CAU).

Selhuber-Unkel und Prof. Rainer Herges vom Institut für Organische Chemie der CAU haben jetzt einen neuen Weg gefunden, um Zellen zu stimulieren. Sie verknüpfen chemische Erkennungsstrukturen (sogenannte RGDs), die von den Zellen erkannt werden, mit Oberflächen. Diese Signalmoleküle stehen aber nicht statisch auf den Oberflächen, sondern können mit Licht bewegt werden: In der Leine, die die RGDs mit den Oberflächen verbindet, sind winzige, molekulare Schalter eingebaut. Bei der Bestrahlung mit grünem Licht biegen sich diese Moleküle etwa 1000-mal pro Sekunde hin und her. „Diese Vibration überträgt sich auf die RGDs, die wiederum an den Zellen ‚zupfen‘. Die Zellen scheinen diese Art von Stimulation zu spüren: Sie haften schneller und fester an der Oberfläche“, erklärt Selhuber-Unkel. Gemessen wurde diese Haftkraft mithilfe eines Rasterkraftmikroskops. Dass die Zellen auf diesen Reiz reagieren, zeigt auch ihre vermehrte Herstellung von Haftproteinen.

Aus der Entdeckung ergeben sich zahlreiche potenzielle Anwendungen. Die molekularen Vibratoren lassen sich direkt in Zellmembranen einbauen – Zellen wären darüber mit Licht steuerbar. „Langfristig ist auch der Einsatz von Licht als eine Art ‚Nanoskalpell‘ denkbar, durch das extrem präzise mikroskopische Eingriffe ermöglicht werden können“, überlegt Herges.

Die Stimulation über Licht habe eine Reihe von Vorteilen. Zum einen könne es sehr schnell und nach Belieben ausgeschaltet werden, erklärt Herges. „Vor allem aber kann man Zellen mit gebündeltem Licht auf etwa 300 Nanometer punktgenau bestrahlen. So können wir herausfinden, welche Bereiche auf der Zelle für die Haftung verantwortlich sind und damit die Mechanismen der Zellhaftung aufklären.“

Das Forschungsprojekt wurde finanziert durch den SFB 677 „Funktion durch Schalten“, in dem Wissenschaftler aus Chemie, Physik, Materialwissenschaften, Pharmazie und Medizin fächerübergreifend daran arbeiten, schaltbare molekulare Maschinen zu entwickeln. Außerdem wurde es unterstützt durch ein ERC-Starting-Grant.

Originalveröffentlichung:

[L. F. Kadem, K. G. Suana, M. Holz, W. Wang, H. Westerhaus, R. Herges, C. Selhuber-Unkel, High Frequency Mechanostimulation of Cell Adhesion, Angew. Chem. Int. Ed. (2016), DOI: 10.1002/anie.201609483]

www.uni-kiel.de

 
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