Laser messen Elastizität von Zellen

Die Forschergruppe um Dr. Jochen Guck, Nachwuchsgruppenleiter am Lehrstuhl für die Physik weicher Materie an der Universität Leipzig, ist dabei, die Steifigkeit von Zellen als neuartigen Zellmarker für biomedizinische Anwendungen zu etablieren.

Die Forschergruppe um Dr. Jochen Guck, Nachwuchsgruppenleiter am Lehrstuhl für die Physik weicher Materie an der Universität Leipzig, ist dabei, die Steifigkeit von Zellen als neuartigen Zellmarker für biomedizinische Anwendungen zu etablieren. Mit Hilfe eines „Optischen Streckers“ können die Wissenschaftler in rascher Folge Hunderte von Zellen ausmessen und, anhand der gemessenen Elastizität, krebsartige von normalen Zellen unterscheiden. Damit könnten Biopsien überflüssig werden. Für seine Arbeiten wurde der junge Wissenschaftler jetzt ausgezeichnet.

Jetzt erhielt Dr. Jochen Guck einen Preis für seine Arbeit: „Young Scientist Award for biomedical Photonics“. Er ist gestiftet von Hamamatsu Corporation und dem Deutschen Krebsforschungszentrum, Heidelberg. Der mit 1000Euro dotierte Preis wird vergeben im Rahmen des Symposiums on Cancer and Photonics, das gerade in Heidelberg stattfand. Ausgezeichnet werden junge Wissenschaftler, deren Arbeiten zu Krebserkennung oder -diagnose mit photonischen Verfahren (alles, was mit Licht zu tun hat) in den letzten zwei Jahren veröffentlicht wurden. Besonders hoch bewertet werden neue, innovative Ansätze und Herangehensweisen an das Problem. Gucks Beitrag wurde von der internationalen Jury einstimmig gewählt. Die neue Methode, Krebszellen nachzuweisen, stellen wir im folgenden näher vor:

„Der Optische Strecker ermöglicht es uns, nach kranken Zellen zu ’fühlen’ und nicht nur nach ihnen zu schauen“, erklärt Dr. Guck. Kranke Zellen sind häufig weicher als gesunde Zellen. Außerdem unterscheiden sich Zelltypen nach ihrer Verformbarkeit. Krebszellen z.B. sind zwischen 2 und 10 mal weicher als gesunde Zellen und verformen sich unter dem Einfluss des Laserstrahls deutlich stärker als gesunde Zellen. Diese Eigenschaft macht sich das System des optischen Streckens zunutze.

Der optische Strecker verwendet zwei gegenläufige Laserstrahlen, um einzelne Zellen bei niedriger Lichtleistung einzufangen (10-100 mW). Dazu werden Zellen in einer Art Kammer, die Physiker nennen sie mikrofluidische Flusskammer, durch eine spezielle Rinne geleitet. Durch eine zweite Rinne, die die Zellrinne kreuzt, wird ein Laserstrahl geschickt, zunächst bei der genannten niedrigen Lichtleistung. Dabei sind die Laserstrahlen senkrecht in den Flusskanal gerichtet, der die Zellsuspension enthält. Die Zellen werden eingefangen, wenn sie im Flusskanal durch die Laserstrahlen fliessen. Wenn die Lichtleistung erhöht wird (100 mW-1.5 W) werden die Zellen je nach Zelltyp unterschiedlich weit auseinandergezogen. Die gesunde Zelle ändert sich kaum, die kranke Zelle verformt sich deutlich.

Der Clou ist, dass für das Testen der Zellen keine ganzen Gewebeschichten benötigt werden, sondern nur einzelne Zellen, die mit Hilfe von Punktionen oder Abstrichen gewonnen werden können. Die Zellen werden dann mit einer Nährlösung verdünnt. Im Ergebnis könnten viele Biopsien überflüssig werden. Außerdem sterben die Zellen bei der Prozedur nicht ab. Die Kombination der Optischen Streckers mit einer mikrofluidischen Flusskammer erlaubt es, Hunderte von Zellen pro Stunde zu analysieren. Danach können die Zellen je nach Verformungsergebnis aussortiert werden.

Es gibt auch andere Geräte, wie z.B. Flusszytometer, die eine grosse Zahl von Zellen pro Sekunde analysieren können. Ihre Methoden beruhen jedoch auf visueller Information und benötigen eine spezielle Vorbehandlung der Zellen. „Bei diesen Methoden muss man vorher schon wissen, wonach man eigentlich sucht. Mit dem Optischen Strecker können wir dagegen eine inhärente Eigenschaft der Zellen, nämlich ihre Steifigkeit, als Auswahlkriterium verwenden“, erklärt Dr. Guck.

Es gibt auch Methoden, mit denen man die Elastizität von einzelnen Zellen bestimmen kann, wie z.B. Mikropipettenaspiration, magnetische und optische Pinzetten, und Kraftmikroskopie. Deren wesentlicher Nachteil aber ist, dass man nur wenige Zellen pro Tag messen kann, womit diese Methoden für Diagnosezwecke völlig ungeeignet sind.

„Momentan arbeitet meine Gruppe mit Ärzten des Universitätsklinikums Leipzig an Versuchen, in denen die grundlegenden mechanischen Eigenschaften von Zellen aus verschiedenen Gewebetypen etabliert werden sollen, anhand derer wir dann kranke Zellen entdecken und Krankheiten diagnostizieren können“, so Dr. Guck weiter.

Der Optische Strecker ist das Ergebnis von Gucks Promotion bei Prof. Josef Käs am Zentrum für nichtlineare Dynamik der Universität von Texas in Austin. Dr. Guck kam gemeinsam mit Prof. Käs vor ca. einem Jahr an die Universität Leipzig und setzt hier seine Arbeiten fort. Auf den bevorstehenden Jahresversammlungen der Amerikanischen Physikalischen Gesellschaft (APS) und der Biophysikalischen Gesellschaft (Biophysical Society) im März wird Dr. Guck wird seine neuesten Forschungsergebnisse präsentieren und an einer Pressekonferenz teilnehmen.