Erkundungsfahrt im Zellinneren - wissenschaft.de
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Erkundungsfahrt im Zellinneren

Sechs Magnetspulen kontrollieren eine winzige Kugel. (Bild: Tyler Irving / U of T Engineering News)

Erinnerungen an das mikroskopische U-Boot aus dem Film die „Die phantastische Reise“ werden wach: Forscher haben ein magnetisches „Pinzetten-System“ entwickelt, mit dem sie einen Nanobot durch das Innere lebender Zellen steuern können. Sie haben das System bereits erfolgreich eingesetzt, um elastische Eigenschaften des Zellkerns von Krebszellen zu untersuchen. Es zeichnet sich interessantes Potenzial für Medizin und Forschung ab, sagen die Wissenschaftler.

Zarte Pinzetten, dünne Nadeln oder sogar Laserstrahlen: Wenn Forscher und Mediziner etwas im Mikromaßstab manipulieren wollen, sind feinste Instrumente und Techniken gefragt. Das neuste Verfahren ist dabei der Einsatz optischer Pinzetten: Laser ermöglichen präzise Eingriffe auf zellulärer Ebene. Diese Technologie wurde 2018 mit dem Nobelpreis für Physik geehrt. Wie die Forscher um Xian Wang von der University of Toronto erklären, können Laser allerdings nur wenig Kraft erzeugen – sie reicht für einige mechanische Manipulationen und Messungen nicht aus. „Man kann die Kraft der Laser zwar erhöhen, aber dann läuft man Gefahr, die Zellbestandteile zu beschädigen, die man untersuchen will“, sagt Wang.

Eine winzige Perle im Bann von Magneten

Das alternative Konzept, das er und seine Kollegen nun präsentieren, basiert hingegen auf Magnetkraft. Sie wird durch ein raffiniertes System aus sechs Magnetspulen erzeugt, die in verschiedenen Ebenen um den Objektträger angeordnet sind, auf dem sich das Zellmaterial befindet. Im Bann der Magnetspulen befindet sich dort eine magnetische Perle mit einem Durchmesser von etwa 700 Nanometern – etwa 100 Mal kleiner als die Dicke eines menschlichen Haares. Sie ist damit so winzig, dass sie in Zellen eingeschleust werden kann, ohne sie zu beschädigen. Sobald sich die Perle im Inneren befindet, können die Forscher sie durch Veränderungen der Magnetfelder erstaunlich präzise in allen drei Dimensionen bewegen. Der Effekt lässt sich dabei in Echtzeit durch das Mikroskop beobachten.

So können die Forscher die Perle gezielt zu bestimmten Organellen der Zelle steuern und nicht nur das: Sie können auch beachtlichen Druck mit ihr ausüben, denn das Magnetsystem kann dem

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kugelförmigen Nanobot beachtliche Kraft verpassen. Genau dabei handelt es sich um einen besonders interessanten Aspekt des Systems, sagen die Wissenschaftler. Denn auf diese Weise lassen sich elastische Eigenschaften von Zellorganellen wie dem Zellkern untersuchen. Bei bisherigen Verfahren mussten die Kerne dazu isoliert werden. Das System von Wang und seinen Kollegen ermöglicht es nun hingegen, sie in intakten Zellen zu untersuchen.

Kerne von Krebszellen untersucht

Nach ihrer Reise zum Ziel (gelbe Linie) drückt sich die winzige Perle (rot) an den Zellkern (grün). (Bild: Wang et al., Sci. Robot. 4, eaav6180, 2019)

Dies konnten sie bereits konkret unter Beweis stellen: Im Fokus standen dabei Laborkulturen von Blasenkrebszellen im Frühstadium beziehungsweise in einer späteren Entwicklungsphase. An deren Zellkerne ließen die Forscher ihre magnetischen Perlen stoßen, um Informationen über die Elastizität zu erhalten. So konnten sie zeigen, dass der Kern bei diesen Krebszellen nicht überall gleich steif ist. Im Vergleich zu Blasenkrebszellen im Frühstadium zeigte sich zudem, dass Krebszellen im Spätstadium weicher sind. Dieses Ergebnis könnte nun Diagnoseverfahren zugutekommen, sagen die Forscher. „In Fällen, in denen Krebszellen im Frühstadium und Zellen im späteren Stadium nicht sehr unterschiedlich aussehen, könnte das Verfahren eine Möglichkeit bieten, sie voneinander zu unterscheiden“, sagt Wang.

Dem Team zufolge besitzt die Technologie aber auch in anderen Bereichen Potenzial, in denen eine präzise und kraftvolle Manipulation von Objekten im zellulären Maßstab gefragt sind. „Möglichkeiten zu einer ‚Phantastischen Reise‘ zeichnen sich zwar noch nicht ab“, sagt Wang mit Bezug auf den Science-Fiction-Film von 1966. „Aber wir haben eine beispiellose Genauigkeit bei der Positions- und Kraftkontrolle erreicht. Das ist zumindest ein großer Schritt hin zu komplexeren Visionen im Bereich der Nanobot-Technologie“, so der Wissenschaftler.

Quelle: University of Toronto Faculty of Applied Science & Engineering, Science Robotics, doi: 10.1126/scirobotics.aav6180

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