Zellkulturen optimaler nutzen

Forscher kontrollieren Zellhaftung mit Licht

Einem Team aus der Chemie und den Materialwissenschaften der Christian-Albrechts-Universität (CAU) ist es gelungen, die Haftung von Zellen auf Oberflächen mit Licht umkehrbar an- und auszuschalten. Dies könnte in der kontrollierten Züchtung von Zellen, beispielsweise in programmierbaren Biochips, Anwendung finden und auch die Forschung der Zellhaftung und Zellkommunikation revolutionieren.

Untersuchungen mit dem Rasterkraftmikroskop zeigten, dass die Zellhaftung kontrolliert an- und ausgeschaltet werden kann. Auf dem Foto (von links): Christine Selhuber-Unkel, Laith Kadem und Rainer Herges. (Foto/Copyright: Denis Schimmelpfennig, CAU)

Eine Zelle kommt selten alleine, denn auch Zellen brauchen gute Kontakte, um miteinander zu kommunizieren, sich zu differenzieren und sich zu vermehren. Dazu haben Zellen ausgeklügelte Mechanismen entwickelt, die allerdings im Detail noch wenig verstanden sind.

Um dem Geheimnis der Zellhaftung näher zu kommen, haben die beiden Chemikerinnen Michelle Holz und Grace Suana einen lichtempfindlichen Schalter in Moleküle eingebaut, an denen Zellen gerne haften, und diese auf einer Glasoberfläche befestigt. Belichtet man die Oberfläche nur wenige Sekunden mit UV-Licht, so ziehen sich die „Haftmoleküle" zurück und Zellen können nur noch schwer andocken. Bestrahlen mit sichtbarem Licht kehrt den Prozess um und die Zellen binden wieder an den Molekülen. „In unserem Modellsystem können wir extrem genau kontrollieren, wann und wo Zellen anhaften“, sagt Prof. Rainer Herges vom Otto-Diels-Institut für Organische Chemie.

Getestet haben die Forschenden das System mit einem Rasterkraftmikroskop. Das Gerät ist so empfindlich, dass man damit die winzigen Haftkräfte einer einzigen Zelle mit hoher Genauigkeit bestimmen kann. Prof. Christine Selhuber-Unkel und ihr Doktorand Laith Kadem vom Institut für Materialwissenschaft befestigten dazu lebende Bindegewebszellen an einer winzigen, beweglichen Metallnadel und detektierten ihre Haftkräfte auf den schaltbaren Oberflächen. Damit konnten sie die Schaltfunktion der Oberflächen nachweisen.

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Aufnahme aus einem Rasterkraftmikroskop: An der Metallnadel befindet sich eine lebende Zelle, deren Haftkräfte mit dem Mikroskop messbar sind. (Foto/Copyright: AG Selhuber-Unkel)

Die Kieler Forschungsergebnisse könnten zukünftig dabei helfen, Zellkulturen optimaler zu nutzen. Nach dem Wachsen auf Oberflächen werden die Zellen oft mechanisch „abgeerntet". Durch die unsanfte Behandlung sterben viele Zellen ab und die Kultur wird für medizinische Anwendungen unbrauchbar. Das sanftere Ablösen mit Licht könnte hier Abhilfe schaffen. Vor allem bei der Zellzüchtung in computergesteuerten Biochips sind exakt kontrollierbare, nicht-invasive Verfahren von Vorteil.

Die Arbeit entstand im von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Sonderforschungsbereich (SFB) 677 „Funktion durch Schalten“. In diesem Kieler Vorzeigeprojekt arbeiten über 100 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler daran, schaltbare molekulare Maschinen zu entwickeln.

Weitere Informationen zum SFB 677:
http://www.sfb677.uni-kiel.de/pages_de/

Originalpublikation:
Kadem, L. F., Holz, M., Suana, K. G., Li, Q., Lamprecht, C., Herges, R. and Selhuber-Unkel, C. (2015), Rapid Reversible Photoswitching of Integrin-Mediated Adhesion at the Single-Cell Level. Adv. Mater. DOI:10.1002/adma.201504394.

Kontakt:
Prof. Dr. Rainer Herges
Otto-Diels-Institut für Organische Chemie
E-Mail: rherges@oc.uni-kiel.de

Prof. Dr. Christine Selhuber-Unkel
Institut für Materialwissenschaft
E-Mail: cse@tf.uni-kiel.de

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