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Fremdmoleküle in Zellen einbringen

Nanoinjektion: Kleiner Stich, große Wirkung

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Was ist Nanoinjektion und wie wird sie durchgeführt?

Die Nanoinjektion [7] ist eine relativ neu entwickelte Methode zum Einbringen von Fremdmolekülen in einzelne Zellen, die die Schwächen bisheriger Entwicklungen beseitigt. Die Methode benutzt dabei einen ähnlichen Ansatz wie die Mikroinjektion. Im Gegensatz zu dieser werden bei der Nanoinjektion aber Pipetten mit einem fünf- bis zehnmal kleinerem Durchmesser eingesetzt. Die typische Pipettengröße liegt hier bei einem Durchmesser von 100 nm. Der Einsatz kleinerer Pipettendurchmesser ist möglich, da der Ausstoß von Molekülen aus der Pipette nicht wie bei der Mikroinjektion über Druck, sondern über elektrophoretische Kräfte geschieht. Ein weiterer daraus resultierender Vorteil ist die genaue Positionierbarkeit der Pipette, da die Position der Pipettenspitze relativ zu der Zellmembran über einen kleinen Strom gemessen werden kann, der zwischen der Pipette und einer Gegenelektrode im Bad fließt. Der Benutzer weiß also sehr genau, wann die Spitze an der Zellmembran und wann sie in der Zelle ist. Darüber hinaus lässt sich sogar bestimmen, wann die Pippettenspitze in einem intrazellulären Kompartiment wie dem Zellkern ist. Das ermöglicht selektives Einbringen von Fremdmolekülen nicht nur in die Zelle, sondern auch selektiv in den Zellkern.

Diese Methode ist sanfter als bisher verwendete Methoden, da während der Injektion von Molekülen die Zellmembran nur an einem Punkt durchstoßen wird. Durch den kleinen Spitzendurchmesser wird die beschädigte Fläche der Membran sehr klein gehalten. Zudem wird im Gegensatz zur Mikroinjektion die Zelle nicht durch einen übermäßigen Volumentransfer belastet. Es konnte daher für Nanoinjektion eine Überlebensrate von 92% für injizierte Zellen ermittelt werden [8]. Neben dem reinen Überleben der einzelnen Zelle, ist die Frage nach dem natürlichen Verhalten injizierter Zellen eine sehr wichtige, da Beobachtungen an der Zelle direkte Rückschlüsse auf Abläufe innerhalb der Zelle geben sollen. Ein wichtiger Indikator ist hier die Teilungsrate, die sich auch nach einer Manipulation mit Nanoinjektion nachweislich normal verhält.

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Wo wird die Nanoinjektion angewendet?

Entwickelt und genutzt wurde und wird Nanoinjektion bisher hauptsächlich mit fluoreszierenden Molekülen in der Fluoreszenzmikroskopie. Da viele fluoreszierende Marker nicht oder nur schwer in lebende Zellen zu bringen sind, bietet die Nanoinjektion eine einfache Lösung für dieses Problem. Die Menge an injizierten Molekülen kann dabei direkt unter dem Fluoreszenzmikroskop beobachtet und gesteuert werden. Die Nanoinjektion bietet sich vor allem an, um hoch- und höchstauflösende Fluoreszenzmikroskopie an lebenden Zellen anzuwenden. Für diese Art der Fluoreszenzmikroskopie kommen überwiegend spezielle Fluoreszenzmarker zum Einsatz, die von außen in die Zelle gebracht werden müssen und für die die Zellmembran der lebenden Zelle ein unüberwindbares Hindernis darstellen. Aber auch spezielle Zellarten, deren Beobachtung durch fluoreszenzmikroskopische Methoden erschwert ist, wie Primärzellen lassen sich mithilfe der Nanoinjektion sehr leicht beobachten. Ebenso ist eine Injektion mehrerer Fluoreszenzmarker zur Markierung unterschiedlicher Strukturen innerhalb der Zelle sehr einfach zu realisieren. Dabei können die jeweils gewünschten Strukturen gleichzeitig oder hintereinander markiert werden.

Wie kann die Nanoinjektion noch genutzt werden?

Die Nanoinjektion ist vielfältig einsetzbar. Sie kann überall dort eingesetzt werden, wo die Zellmembran einer lebenden Zelle eine natürliche Barriere gegenüber Fremdmolekülen bildet. Die hohe Überlebensrate und die normale Teilungsrate von injizierten Zellen lassen den Schluss zu, dass die Injektion kaum Einfluss auf den natürlichen Zellzyklus hat und die folgende Beobachtung der Zellen als natürlich angesehen werden kann. Weiterhin ist das selektive Injizieren von Molekülen in den Zellkern eine attraktive Anwendung, um .z.B. Transportprozesse aus dem Zellkern direkt sichtbar zu machen. Auch die Injektion von Molekülen in einzelne Zellen, die Teil eines Ensembles sind stellt sich als attraktive Methode heraus, um direkt die Kommunikation der inji­zierten Zelle mit anderen Zellen sichtbar zu machen.

Gleichzeitig könnte Nano­injektion aufgrund der verwendeten Pipette und des Feedbacksystems auch auf kleinere Objekte wie Hefezellen angewendet werden, deren Manipulation oft eine noch größere Herausforderung darstellt.

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