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Die Zelle als Operationsfeld

17.04.2012
Mikrochirurgische Eingriffe, beispielsweise am Auge, sind seit Jahrzehnten Routine. Doch wie steht es mit einer lebenden Zelle als Operationsgebiet?
Mechanische Instrumente könnten hier auch im Miniaturformat nur Zerstörung anrichten. Dennoch arbeiten Wissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) und des Uniklinikums Erlangen daran, die Prinzipien der klassischen Chirurgie auf Behandlungen innerhalb der Zellmembran zu übertragen. Vom gewohnten Handwerkszeug der Chirurgen bleiben jedoch nur Begriffe; Nanopartikel und Laser ersetzen das Operationsbesteck beim Schneiden, Greifen und Verschließen von Schnitten auf subzellulärer Ebene.

Zur Erforschung nanochirurgischer Verfahren hat sich eine interdisziplinäre Gruppe des Lehrstuhls für Photonische Technologien, der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgischen Klinik und der Erlangen Graduate School in Advanced Optical Technologies zusammengefunden. 500.000 Euro erhält ihr Projekt aus dem DFG-Schwerpunktprogramm „Optisch erzeugte Sub-100-nm-Strukturen für bio-medizinische und technische Applikationen“. Die neuesten Erkenntnisse der Molekularbiologie aus dem Zellinneren sollen dabei der Praxis zugeführt und therapeutisch anwendbar werden.

Die Erlanger Forscher setzen auf laserbasierte Skalpelle und Optische Pinzetten. „Wir können Nanopartikel in einer Art ‚optischer Falle‘ fangen und präzise über eine Oberfläche bewegen“, erklärt PD Florian Stelzle, einer der Projektleiter an der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgischen Klinik. „Lenkt man einen Laserstrahl auf einen solchen Nanopartikel, dann wirkt das Teilchen, sofern Wellenlänge und Partikelgröße zusammenpassen, wie eine Linse.“ Direkt hinter dem Partikel erreicht der Strahl in einem kleinen Bereich also eine sehr hohe Intensität. Es verwandelt sich in ein sehr scharfes Instrument, aber nur im Nanometerbereich.

a) Strukturierung von Zellmembranen, b) Zellinterne Nanochirurgie an Zellbestandteilen. Abbildung: Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgische Klinik

Die Methodik wurde zunächst in einer Arbeitsgruppe von Ilya Alexeev, PhD., am Lehrstuhl für Photonische Technologien von Prof. Dr. Michael Schmidt entwickelt und an nicht-biologischen Werkstoffen untersucht. Die außerordentlich präzise Positionierung und der extrem kleine Durchmesser des Laserfokusses machen das Verfahren interessant für die subzelluläre Chirurgie. „Diese berührungslosen Nanoinstrumente werden es uns ermöglichen, Schnitte in die Zellmembran zu setzen, in das Zellinnere vorzudringen und dort unsere Operation vorzunehmen – ganz so wie bei klassischen Operationen am Menschen“, schildert Dr. Stelzle die Vision des Teams.

In einem weiteren Schritt ist der Einsatz Optischer Pinzetten geplant. Sie sollen einzelne Mikro- und Nanopartikel berührungslos manipulieren und bewegen, und in die Zelle schleusen. Da die Zellwand normalerweise für diese Teilchen nicht durchlässig ist, muss das Laserskalpell zuvor einen Durchgang öffnen. Durch die perforierte Membran kann die Pinzette ein Partikel in die Zelle bringen. Damit können einzelne Strukturen im Zelli­nneren – etwa Mitochondrien, die „Kraftwerke“ der Zellen – gezielt bearbeitet, verändert oder entfernt werden. „Ganz so, als ob man die Gallenblase oder eine andere erkrankte Struktur herausnimmt, um den Patienten zu heilen, ist das auch an der Einzelzelle vorstellbar“, erläutert Stelzle.

Damit kann in Zukunft untersucht werden, wie wichtige zelluläre Kommunikationswege und Strukturen auf solche Eingriffe reagieren und ob sich ihre Funktion verändert. Aufschlüsse werden speziell über Möglichkeiten erwartet, per Nanochirurgie die molekularen Mechanismen zu manipulieren, die den Zelltod steuern. Hier zeigen sich vielfältige Einsatzmöglichkeiten vor allem in der Tumortherapie, der Nervregeneration oder der künstlichen Züchtung von Gewebe, dem Tissue Engineering.

Die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), gegründet 1743, ist mit 33.500 Studierenden, 630 Professuren und rund 12.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern die größte Universität in Nordbayern. Und sie ist, wie aktuelle Erhebungen zeigen, eine der erfolgreichsten und forschungsstärksten. So liegt die FAU beispielsweise beim aktuellen Forschungsranking der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) auf Platz 8 und gehört damit in die Liga der deutschen Spitzenuniversitäten. Neben dem Exzellenzcluster „Engineering of Advanced Materials“ (EAM9 und der im Rahmen der Exzellenzinitiative eingerichteten Graduiertenschule „School of Advanced Optical Technologies“ (SAOT) werden an der FAU derzeit 31 koordinierte Programme von der DFG gefördert

Die Friedrich-Alexander-Universität bietet insgesamt 142 Studiengänge an, darunter sieben Bayerische Elite-Master-Studiengänge und über 30 mit dezidiert internationaler Ausrichtung. Keine andere Universität in Deutschland kann auf ein derart breit gefächertes und interdisziplinäres Studienangebot auf allen Qualifikationsstufen verweisen. Durch über 500 Hochschulpartnerschaften in 62 Ländern steht den Studierenden der FAU schon während des Studiums die ganze Welt offen.

Weitere Informationen für die Medien:

PD Dr. Dr. Florian Stelzle
Tel.: 09131/85-34201, -3362, -33618
Florian.Stelzle@uk-erlangen.de

Heiner Stix | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-erlangen.de/

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