"Wie Forscher noch schneller durch Ionenkanäle zappen"

Neue Messtechnik für medizinisch wichtige Proteine der Zellmembran

Ionenkanäle sind die „Poren“ der Zellmembran. Sie schleusen Ionen, also Teilchen mit elektrischer Ladung, in die Zelle oder aus der Zelle heraus. Zahlreiche genetisch bedingte Erkrankungen lassen sich auf defekte Ionenkanäle zurückführen. Die Funktionsweise dieser Moleküle war deshalb schon immer von besonderem Interesse für die Forschung. 1991 erhielten Erwin Neher und Bert Sakmann den Nobelpreis für die Entwicklung einer Technik zur Messung der Aktivität einzelner Ionenkanäle. Ein Team von Medizinern und Physikern um Dr. Jan Behrends, Center for NanoScience (CeNS) und Physiologisches Institut der Ludwig-Maximilians-Universität München, hat diese traditionelle „Patch-Clamp-Methode“ von der Pipette auf einen flachen Mikro-Glaschip übertragen, so dass das Experiment einfacher und schneller durchgeführt werden kann (Applied Physics Letters, Bd. 81, Nr. 26, 2002, Erstautor Dr. Niels Fertig).

Einer der Vorteile der neuen Apparatur ist, dass sie die parallele Anwendung anderer Techniken, zum Beispiel Rastersondenverfahren, erlaubt. Daher sollen nun bisher nicht mögliche, kombinierte Experimente vorangetrieben werden. Ein medizinisch bedeutender Vorteil ist die größere Schnelligkeit, mit der nun Medikamente auf ihre Aktivität an Ionenkanälen getestet werden können: Eine Ausgründung der Arbeitsgruppe, die Nanion Technologies GmbH, arbeitet bereits mit großem Erfolg. Das erste Produkt, ein Patch-Clamp-Automat, soll zunächst vier, wenig später dann 16 Messungen gleichzeitig erlauben.

Signalaustausch zwischen Zellen erfolgt unter anderem über die Veränderung der elektrischen Spannung der Zellmembran. Kanäle in der Membran transportieren etwa Natrium, Kalium- oder Chlorid-Ionen, was die elektrische Spannung an der Membran verändert und gemessen werden kann. Ist die Aktivität der Ionenkanäle gestört, können schwere Leiden wie Mukoviszidose, die cystische Fibrose, resultieren.

Dabei ist ein Chlorid-Ionen-Kanal defekt, was zu einer massiven Verschleimung der inneren Organe des Patienten führt. Ionenkanäle sind bereits jetzt Angriffspunkte für eine Vielzahl wichtiger Medikamente.

Bei der traditionellen Patch-Clamp-Technik wird eine einzelne Zelle mit einer extrem dünnen Glaspipette so stark angesaugt, dass die Membran fest mit der Glaswand der Pipette verbunden ist. Der von der Öffnung der Pipette umschlossene Ausschnitt ist vom Rest der Zellmembran elektrisch isoliert. In der Glaspipette befindet sich eine Salzlösung, die in etwa der Flüssigkeit innerhalb der Zelle entspricht. Öffnet sich der in der isolierten Zellmembran befindliche Ionenkanal und schleust ein Ion hindurch, kann das als elektrischer Strom gemessen werden.

Bei der neuen, verbesserten Methode sind die Komponenten ähnlich geblieben, die Versuchsanordnung hat sich aber entscheidend geändert. Anstatt der Mikropipette verwenden die Wissenschaftler einen flachen Glaschip, in den eine kreisförmige Vertiefung geätzt wird. An dieser Stelle ist der Chip nur noch etwa 20 Mikrometer dick. Ein hoch beschleunigtes Gold-Ion wird durch die Vertiefung geschossen und schafft damit einen Tunnel, der durch Ätzen noch vergrößert oder auf einer Seite verbreitert werden kann. Es resultiert eine Öffnung, die auf einer Seite einen Durchmesser von etwa ein bis zwei Mikrometern hat. Dort wird eine Zelle so fest angesaugt, dass die Membran sich fest mit der Glaswand verbindet. Im Chip ist ein Draht, der eine Spannungsänderung messen kann.

Es ist theoretisch zu erwarten, dass mit der neuen Vorrichtung nicht nur sehr viel schneller gemessen werden kann, sondern auch der Hintergrundlärm geringer ist. Der größte Vorteil aber liegt darin, dass das „abgeklemmte“ Membranstück sehr viel freier zugänglich ist als in einer Mikropipette. Parallel zur Messung der Ionenströme können daher auch andere Untersuchungen vorgenommen werden. Denkbar ist etwa eine gleichzeitige Untersuchung einzelner Ionenkanäle mit hoch auflösenden optischen oder mechanischen Rastersondenverfahren. Trotzdem hat die alte Methode nicht ausgedient. „Die klassische Methode wird für Untersuchungen an komplex organisierten Geweben, etwa Hirnschnitten, weiterhin dominant bleiben, weil hier gezielt stationäre Zellen ausgewählt werden müssen“, so Behrends. „Die exklusive Domäne der neuen Methode des chip-basierten, planaren Patch-Clampings sind alle Anwendungen, die einen hohen Durchsatz erfordern. Neben screens in der Pharma-Industrie gehört auch die Untersuchung gentechnisch erzeugter Ionenkanal-Mutaten dazu. Denkbar ist auch der Nachweis von Veränderungen in Zahl und Funktion von Ionenkanälen in Zellmembranen nach Eingriffen oder bei Tiermodellen menschlicher Krankheiten wie Epilepsie, Hochdruck und Herzrhythmusstörungen.“
Ansprechpartner:

Dr. Jan Behrends,
Center for NanoScience (CeNS) und Physiologisches Institut
Phone: +49 89 5996 248
E-mail:j.behrends@lrz.uni-muenchen.de