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Mikrofluidik Zellmarkierung: radikal präzise

Redakteur: Christian Lüttmann

Mit einer Art Mini-Foltermaschine stimulieren Forscher aus China gezielt Zellen. Dazu haben die Wissenschaftler ein Mikrofluidiksystem entwickelt, das freie Radikale erzeugt und mit hoher Präzision auf die Zelloberfläche bringt. Dies bietet neue Möglichkeiten, die Biologie von lebenden Zellen zu erforschen.

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Mit einem Mikrofluidik-System regen Forscher aus China punktuell Zellen an, indem sie freie Radiakle erzeugen und auf die Zelloberfläche führen.
Mit einem Mikrofluidik-System regen Forscher aus China punktuell Zellen an, indem sie freie Radiakle erzeugen und auf die Zelloberfläche führen.
(Bild: Wiley-VCH, Angewandte Chemie, DOI: 10.1002/ange.202016171)

Beijing/China – Lassen sich kleine, abgegrenzte Bereiche auf der Zellmembran chemisch manipulieren? Mit einer mikrofluidischen Sonde haben Wissenschaftler der chinesischen Tsinghua-Universität Zellen gezielt mit freien Radikalen behandelt und die Veränderungen mit Fluoreszenzmikroskopie beobachtet. Den Forschern gelang es durch die Mikrofluidiktechnik zum ersten Mal, für detaillierte Zelluntersuchungen einen Strom freier Radikale mit definierten Abmessungen und gleichmäßiger Konzentration zu erzeugen.

Freie Radikale kontrollieren

Freie Radikale sind wichtige Stimulanzien für Zellen. Kommen lebende Zellen mit diesen Substanzen in Kontakt, setzten sie eine heftige Zellantwort in Gang, die zur Schädigung oder sogar bis zum Tod der Zelle führen kann. In der Medizin macht man sich dies zu Nutze: Viele Krebsmedikamente wirken durch freie Radikale, die Tumorzellen absterben lassen.

Es ist allerdings schwierig, die Zellreaktion auf freie Radikale unter konstanten Bedingungen bei gleichmäßiger Radikalkonzentration zu erforschen. Da radikalische Substanzen instabil sind, reagieren sie rasch mit ihrer Umgebung und sind abgebaut, bevor sie ihr Ziel erreichen. Mit dem neuentwickelten mikrofluidischen Ansatz von Prof. Dr. Jing-Ming Lin und seinem Team gelingt es nun, einen gleichmäßigen Strom von freien Radikalen zu erzeugen. Damit lassen sich einzelne Teilbereiche der Zelloberfläche gezielt manipulieren.

Mikrofluidisches Reaktionssystem

Um die Radikale zu erzeugen, wählten die Forscher ein mikrofluidisches Zweikomponentensystem. Durch einen Mikrokanal mit wenigen Mikrometern Durchmesser ließen sie eine Lösung eines Enzyms fließen, das Wasserstoffperoxid spalten kann. Durch einen parallelen Kanal strömte eine Lösung aus Wasserstoffperoxid und einem Farbstoff. Beide Kanäle tauchten senkrecht in eine Nährlösung, in der in wenigen Mikrometern Abstand eine lebende Zelle aufgespannt war. Eine Art „Absaugvorrichtung“ zwischen den Kanälen sorgte dafür, dass die aus den Kanälen ablaufenden Komponenten in einer Reaktionszone zusammenflossen und die Reaktionsprodukte nach oben entweichen konnten.

Durch diesen Aufbau war die Reaktionszone für die Erzeugung der Radikale nur wenige Mikrometer breit. In dieser Zone reagierte das Enzym Meerrettich-Peroxidase mit dem Wasserstoffperoxid zu reaktiven Enzymprodukten, die den organischen Farbstoff in eine radikalische Substanz umwandelten. Diese Farbstoffradikale griffen nun wiederum die direkt unter der Reaktionszone platzierte Zelle an.

Punktgenaue Markierung

Nach kurzer Zeit kontinuierlicher Radikalerzeugung beobachteten die Wissenschaftler, dass sich auf der Zellmembran ein winziger, rot fluoreszierender Bereich gebildet hatte, der nach Abschalten der Sonde allmählich über die Zelloberfläche wanderte. Die Möglichkeit, einen einzelnen punktförmigen Bereich auf der Zellmembran chemisch anzugreifen und dessen Entwicklung zu beobachten, sei bemerkenswert, schreiben die Autoren: „Im Gegensatz zu lipophilen Tracern, die die gesamte Zelle anfärben, greifen die erzeugten freien Radikale nur eine gewünschte Teilregion einer einzelnen Zelle an.“

Das Team möchte auch versuchen, die mikrofluidische Sonde als „Stift“ für Zellen zu verwenden. „Wir könnten auf eine einzelne Zelle Text schreiben oder etwas zeichnen. Damit ließen sich Zellen individuell markieren oder künstlerisch gestalten“, schreiben die Autoren.

Originalpublikation: Qiang Zhang, Shuo Feng, Weiwei Li, Tianze Xie, Wanling Zhang, Prof. Jin‐Ming Lin: In Situ Stable Generation of Reactive Intermediates by Open Microfluidic Probe for Subcellular Free Radical Attack and Membrane Labeling, Angewandte Chemie, Volume 133, Issue 15, Pages 8564-8568, April 6, 2021; DOI: 10.1002/ange.202016171

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