Sie sind rund, halb so dick wie ein Haar, enthalten Goldteilchen und einen fluoreszierenden Farbstoff, sind umgeben von einem Biomaterial, das aus Algen gewonnen wird, und können sich – angetrieben von Laserlicht – zwischen Zellen bewegen: die „TACSI-Microrobots“. TACSI steht für „Thermally Activated Cell-Signal Imaging“, heißt das System ist in der Lage, Zellen zu erwärmen und dadurch zu aktivieren, was mit einem Mikroskop dargestellt werden kann. „Wir haben zum ersten Mal weltweit ein System entwickelt, mit dem sich nicht nur Mikroroboter durch Zellverbände navigieren lassen, sondern Zellen auch gezielt, über Veränderungen der Temperatur, stimulieren lassen“, sagt Professorin Özkale Edelmann. Die Bioingenieurin und Leiterin des „Microrobotic Bioengineering Labs“ hat mit ihrem Team eine technologische Plattform entwickelt, mit der beliebig viele dieser Vehikel hergestellt werden können. Eingesetzt werden sie aktuell in vitro für Forschungsarbeiten.

Doktorand Philipp Harder aus dem Microrobotics Bioengineering Lab produziert im Labor tausende Mikroroboter. © Astrid Eckert / TUM

Zellen reagieren auf Temperaturveränderung
Um Vorgänge in der Zelle zu beeinflussen, reichen manchmal leichte Veränderungen der Temperatur aus. „Bei einer Verletzung an der Haut, etwa durch einen Schnitt, steigt die Körpertemperatur leicht an, wodurch das Immunsystem aktiviert wird“, erläutert Özkale Edelmann. Sie interessiert, ob diese „thermische Stimulation“ für die Wundheilung eingesetzt werden kann. Auch in Hinsicht auf Krebszellen ist noch nicht ausreichend erforscht, ob sie durch Anregung aggressiver werden oder nicht. Aktuelle Studien zeigen z.B., dass bei hohen Temperaturen (60 Grad) Krebszellen absterben.

Calcium-Import: Ionenkanäle in Zellen öffneten sich
Studien an Zellen der Niere, die im Team von Prof. Özkale Edelmann durchgeführt wurden, haben gezeigt, dass sich die Mechanismen der Ionenkanäle in Zellen beeinflussen lassen. Dafür navigierten die Forschenden mit den „TACSI-Microrobots“ an die Zelle heran. „Über den Infrarotlaser haben wir die Temperatur erhöht und über die Intensität von Rhodamin-B die Temperatur bestimmt“, erläutert Wissenschaftler Harder. Und es zeigte sich, dass sich die Ionenkanäle der Zellen bei bestimmten Temperaturen öffneten und beispielsweise Calcium in die Zelle hineinließen. „Wir haben an diesem konkreten Beispiel gezeigt, dass Wärme konkrete Änderungen in der Zelle bewirkt, und zwar schon bei leichten Temperaturerhöhungen“, sagt Professorin Özkale Edelmann, die sich neue therapeutische Ansätze durch weitere Forschungen erhofft – etwa indem Wirkstoffe in die Zelle geschleust werden können.

Originalpublikation:
Philipp Harder, Nergishan İyisan, Chen Wang, Fabian Kohler, Irina Neb, Harald Lahm, Martina Dreßen, Markus Krane, Hendrik Dietz, Berna Özkale: A Laser-Driven Microrobot for Thermal Stimulation of Single Cells, Adv Healthc Mater. 2023 May 25:e2300904. doi: 10.1002/adhm.202300904. Epub ahead of print.

Quelle: Technische Universität München (TUM)