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Zellmechanik

Zellen unter Druck: Zellmechanik im Schnellverfahren analysieren

| Autor/ Redakteur: Mina Smolej* und Daniel Klaue** / Marc Platthaus

An der TU Dresden wurde ein Analyseverfahren entwickelt, mit dem sich die mechanischen Eigenschaften von 100.000 Zellen in nur zwei Minuten auswerten lassen. Die hohe Geschwindigkeit erzielte das Forscherteam durch den Einsatz einer Hochgeschwindigkeitskamera.

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Abb.1: Eine Messung wird vorbereitet: Ein Labormitarbeiter steckt Schläuche in den Chip, über die die suspendierten Zellen in die mikrofluidischen Chips gedrückt werden. Dieser Chip ist eines der wichtigsten Komponenten des Accellerator. Durch diesen mikrofluidischen Chip fließen die Zellen und werden an einem 10 bis 40 Mikrometer breiten Kanal mit bis zu 4000 Bildern pro Sekunde aufgenommen.
Abb.1: Eine Messung wird vorbereitet: Ein Labormitarbeiter steckt Schläuche in den Chip, über die die suspendierten Zellen in die mikrofluidischen Chips gedrückt werden. Dieser Chip ist eines der wichtigsten Komponenten des Accellerator. Durch diesen mikrofluidischen Chip fließen die Zellen und werden an einem 10 bis 40 Mikrometer breiten Kanal mit bis zu 4000 Bildern pro Sekunde aufgenommen.
(Bild: Sylvi Graupner)

Woran erkennt man, dass eine Avocado reif ist? Man prüft ihre Festigkeit, indem man sie zusammendrückt. Je weicher sie ist, desto reifer ist sie. Ähnlich verhält es sich mit biologischen Zellen. Ihre mechanischen Eigenschaften erlauben vielfältige Rückschlüsse. So werden beispielsweise bestimmte weiße Blutkörperchen zu Beginn einer Infektion weicher. Viele Arten von Krebszellen sind leichter verformbar als gesunde Zellen und anhand der Festigkeit einer Zelle kann der Status des Zellzyklus abgeleitet werden.

Mit herkömmlichen Technologien konnten bisher innerhalb von einer Stunde maximal 100 Zellen abgetastet werden. Ein Tropfen Blut enthält jedoch bereits 10.000 weiße Blutkörperchen. Um eine aussagekräftige Menge davon zu analysieren, müsste man durchgehend 24 Stunden messen. Für eine routinemäßige, wirtschaftliche Anwendung in den Lebenswissenschaften oder der Medizin sind diese Technologien zu kompliziert und zu langsam.

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Das Prinzip der Real-Time Deformability Cytometry

An der Technischen Universität Dresden haben Wissenschaftler deshalb ein Verfahren entwickelt, das die Auswertung um das 10.000-fache beschleunigt. Die Methode nennt sich „Real-Time Deformability Cytometry“ (RT-DC) und findet Anwendung im Accellerator. Bei diesem Aufbau strömen verformte Zellen mit einer Geschwindigkeit von 10 cm/s durch das Sichtfeld eines Mikroskops mit 400-facher Vergrößerung. Das System lässt sich im Prinzip an jedes inverse Mikroskop anschließen, wird jedoch am häufigsten mit einem Axio-Observer von Zeiss eingesetzt. Die Hochgeschwindigkeitskamera Eo-Sens CL 1362 von Mikrotron erfasst mit bis zu 4000 Bildern pro Sekunde jede einzelne Zelle und steuert die 1 μs kurzen LED-Lichtimpulse. Die Bilder werden in Echtzeit über eine Camera-Link-Schnittstelle an den Framegrabber und Computer übertragen. Die Auflösung wird dabei ­automatisch an die Kanalbreite angepasst. Die Standardgröße beträgt 250 x 80 px. Ein eigens entwickeltes Programm auf Basis von Labview von National In­struments wertet dann die Deformationen jeder einzelnen Zelle aus.

Der Vorteil von Hochgeschwindigkeit

Die Analyse eines Bildes dauert unter 250 μs. So können die mechanischen ­Eigenschaften von mehreren hundert Zellen pro Sekunde gemessen werden. Innerhalb nur 15 Minuten steht eine genaue Charakterisierung aller Blutzellarten inklusiv Aktivierungsstatus der Zellen bereit. Durch den hohen Durchsatz an Zellen reicht dafür ein Tropfen Blut aus. Diese Messgeschwindigkeit erzielt der Accellerator durch die Kombination von High-Speed-Kameratechnik und hoher Rechenleistung. Die Kamera wurde über offene Schnittstellen in das System integriert und kann mit Labview angesteuert werden.

Durch die hohe Geschwindigkeit wird die Auswertung der Zellmechanik zum ersten Mal für klinische Anwendungen nutzbar. Der mechanische Fingerabdruck von Zellen könnte künftig bei der schnellen Diagnose und beim Monitoring von Infektionen verwendet werden. Änderungen des Blutbildes oder metastasierende Zellen lassen sich in wenigen Minuten erfassen. In der Forschung können Prozesse untersucht werden, bei denen sich das Zytoskelett verändert. Im Fall der Migration oder Zellteilung könnte die Technik wertvolle Hinweise liefern.

Die Einsatzmöglichkeiten: Zelluläre Prozesse beobachten

Der Accellerator vereint High-End-Lösungen im Bereich der Mikroskopie, Sensorik, Datenübertragung und Bildverarbeitung mit extrem hohen Datenraten. So kann er die mechanischen Eigenschaften von mehreren Hundert Zellen pro Sekunde vermessen. Diese Geschwindigkeit eröffnet vielfältige neue Anwendungsbereiche im Bereich der Diagnostik und Forschung.

Es können alle möglichen kleinen Partikel damit gemessen werden. Das kann in der Nahrungsmittelindustrie, Pharmaindustrie oder bei anderen Konsumgütern interessant werden. Beispielsweise für Kolloide in Kosmetika.

* M. Smolej: Mikrotron GmbH, 85716 Unterschleißheim

* *Dr. D. Klaue: Zellmechanik Dresden, 01307 Dresden

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Über den Autor

Marc Platthaus

Marc Platthaus

Chefredakteur, LABORPRAXIS - Mehr Effizienz für Labor & Analytik