Mit Lasern und Gold-Nanopartikeln Zellen gezielt selektieren

BMBF-Verbundprojekt LAND-CEM / VDI Technologiezentrum GmbH

Zellen sind die kleinsten Bau- und Funktionseinheiten eines Organismus. Verfahren, um ausgewählte Zellen aus einer großen Anzahl (unterschiedlicher) Zellen gezielt zu erkennen und zu vereinzeln, werden auch als Aufreinigung bezeichnet. Aufreinigung und Charakterisierung von Zellen mit Hilfe optischer Techniken tragen fortwährend zu einem besseren Verständnis von Volkskrankheiten wie z.B. Infektionen oder Krebs bei.

Die Aufreinigung bestimmter Zellen und die Veränderung zellulärer Funktionen eröffnen verschiedenste diagnostische und therapeutische Möglichkeiten. Derzeitig gängige Verfahren der Zellaufreinigung sind jedoch gekennzeichnet durch einen hohen technischen Aufwand und/oder Präparationsmethoden, die zu einer hohen Belastung der ausgewählten Zellen führen.

Neue Werkzeuge für die Manipulation und Gewinnung einzelner Zellen

Der im Forschungsvorhaben LAND-CEM verfolgte Lösungsansatz beruht auf einem neuartigen optischen Prinzip, durch das technisch bedingte Grenzen bisheriger Verfahren der Zellpräparation in Bezug auf Reinheit, Geschwindigkeit und Automatisierbarkeit überwunden werden sollen. Gold-Nanopartikel, die spezifisch an einzelne Zellen gebunden werden können, verstärken hierbei die biologische Wirkung von Licht.

Erste Forschungsergebnisse zeigen, dass damit schonend Wirkstoffe in Zellen eingebracht sowie Zellen berührungslos und gezielt abgetötet werden können. Als Anwendungsfelder dieses Verfahrens werden aktuell zellbasierte Therapien, Gewebekonstruktion (Tissue Engineering) und die Reprogrammierung von Zellen für die regenerative Medizin diskutiert.

Zellpräparation: schneller, präziser und einfacher

Ziel des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Verbundes LAND-CEM ist die Erforschung und Bereitstellung neuartiger Verfahren, um Zellen mit hoher räumlicher und zeitlicher Präzision schonend aufzureinigen und zu präparieren und für Forschung, Diagnostik und Therapie nutzbar zu machen. Hierfür soll die Wechselwirkung von Laserlicht mit Gold-Nanopartikeln genutzt werden.

Bei entsprechender Wahl der Laserparameter und darauf abgestimmter Zusammensetzung der Gold-Nanopartikel können biologische Effekte erzielt werden, die von einer sanften Freisetzung von Wirkstoffen innerhalb einzelner Zellen bis hin zu optisch ausgelösten Nanoexplosionen an den Zellmembranen reichen.

Mit Hilfe einer spezifischen Beschichtung der Gold-Nanopartikel wird die biologische Wirkung auf die Zellen eingeschränkt, die die Gold-Nanopartikel binden. Die im Rahmen des Verbundprojektes erhobenen Erkenntnisse über die Wechselwirkung von gepulster und kontinuierlicher Laserbestrahlung mit Gold-Nanopartikeln sowie über die biologische Wirkung auf Zellen dienen als Grundlage für neue Gerätekomponenten in der Durchflußzytometrie und Mikroskopie.

Der BMBF-Verbund LAND-CEM

Mit den wissenschaftlichen Partnern sind Kompetenzen aus den Bereichen Medizin, Biologie, Physik und Materialforschung im Verbund vertreten. Das Verbundprojekt LAND-CEM ist Anfang Juli 2012 gestartet und läuft bis Ende Juni 2015. Gefördert wird das Projekt vom BMBF im Rahmen der Initiative „Optische Technologien in den Lebenswissenschaften – Grundlagen zellulärer Funktionen“ (Biophotonik 4) mit knapp 2,1 Millionen Euro.

Verbundpartner sind
• Universitätsklinikum Bonn, Institut für molekulare Medizin
• Universität Lübeck, Institut für biomedizinische Optik
• Universitätsklinikum Würzburg, Abteilung für Funktionswerkstoffe in der Medizin
• LIFE&BRAIN GmbH, Bonn
• Miltenyi Biotec GmbH, Bergisch Gladbach