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Fremdmoleküle in Zellen einbringen Nanoinjektion: Kleiner Stich, große Wirkung

| Autor / Redakteur: Simon Hennig* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Das Einbringen von Fremdmolekülen in lebende Zellen ist für Forscher oft eine große Herausforderung. Die Zellmembran stellt für viele Moleküle eine unüberwindbare Hürde dar. Die Nanoinjektion bietet eine vielfältig einsetzbare Methode, um Moleküle in einzelne lebende Zellen zu injizieren.

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Der erste Schritt der Nanoinjektion: Die Nanopipette wird ca. 20µm über der Zelle manuell positioniert.
Der erste Schritt der Nanoinjektion: Die Nanopipette wird ca. 20µm über der Zelle manuell positioniert.
(Bild: Uni Bielefeld)

Wie können Fremdmoleküle in lebende Zellen eingebracht werden? Das ist die Frage, mit der sich Wissenschaftler in den Biowissenschaften und verwandten Disziplinen oft konfrontiert sehen. Dabei geht es darum, entweder die Wirkung von bestimmten Molekülen auf eine lebende Zelle zu beobachten, also zu schauen, wie eine Zelle auf einen bestimmten Typ Moleküle reagiert. Zum anderen wollen Forscher spezielle Moleküle als Marker in die Zelle bringen, um Strukturen oder Interaktion von intrazellulären Kompartimenten oder Proteinen mithilfe von z.B. der Fluoreszenzmikroskopie zu beobachten. In jedem Fall steht aber die Zellwand der intakten Zelle dem erfolgreichen Einbringen von Molekülen im Weg, denn die Zelle besitzt mit der Zellwand eine Barriere die nur bestimmte Moleküle passieren lässt und unerwünschte Moleküle abblockt.

Wie lässt sich eine intakte Zellmembran überwinden?

Über die Zeit wurden verschiedene Methoden entwickelt, um dieses Problem zu lösen. So können die Methoden grob in Ensemblemethoden und Einzelzellmethoden unterteilt werden. Ensemblemethoden sind dazu geeignet, Fremdmoleküle in sehr viele Zellen auf einmal einzubringen und nutzen überwiegend physikalische Prinzipien.

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Als Beispiele kann hier die „Electroporation“ [1], „Glass-Bead Loading“ [2], „Optoporation“ [3] oder „Cell-Squeezing“ [4] genannt werden. Oder sie nutzen chemische Ansätze, beispielsweise „Streptolysin-O (SLO)“ [5].

Einzelzellmethoden sind in der Lage, Moleküle in eine einzelne Zelle zu bringen. Hier hat sich über die Jahre die Mikroinjektion mit unterschiedlichen Variationen wie der „Nanoblade-Delivery“ [6] bewährt, bei der Moleküle ähnlich wie bei einer Spritze mit einer sehr kleinen Spitze über Druck in eine Zelle injiziert werden.

Welche Nachteile haben derzeitige Methoden?

Die bisher entwickelten Methoden haben den Nachteil, dass das Überleben von Zellen nicht oder nur unzureichend berücksichtigt wird. So liegt die Überlebensrate für alle Ansätze typischerweise bei 50 bis 70%, und ist stark abhängig von den verwendeten Zellen. Ein weiterer Aspekt ist der, dass die Menge an eingebrachten Molekülen nicht oder nur schwer kontrolliert werden kann. Abgesehen von der Vielzahl der Lösungen gibt es derzeit nur eine Standardlösung für die Manipulation von einzelnen Zellen, nämlich die Mikroinjektion.

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