Das Geflüster einzelner Zellen belauschen

Damit die Zellen unseres K?rpers als Einheit funktionieren, m¨¹ssen sie st?ndig miteinander kommunizieren. Sie scheiden Signalstoffe aus, Ionen, Proteine oder Nukleins?uren, die von Nachbarzellen registriert werden. Diese geben das Signal ihrerseits an andere Zellen weiter. Nur durch diese Kommunikation funktionieren beispielsweise unsere Muskeln, das Verdauungssystem oder das Gehirn. Und nur dadurch erkennt unser Immunsystem Krankheitserreger oder kranke Zellen und kann darauf reagieren ¨C wiederum, indem es Signale aussendet, um die Immunabwehr zu mobilisieren. Wenn bei dieser Signalisation zwischen Zellen etwas falsch l?uft, f¨¹hrt das zu Krankheiten, etwa Krebs oder Autoimmun?erkrankungen. ?Deshalb ist es wichtig, zu erforschen, welche Signale die Zellen in welcher Situation aussenden?, sagt Morteza Aramesh. Der Biophysiker im Labor f¨¹r Biosensoren und Bioelektronik an der ETH Z¨¹rich hat eine neue Methode entwickelt, die genau das m?glich macht: die Kommunikation einer einzelnen Zelle abh?ren.

Ein neuartiger Nanosensor

Zwar konnte man schon bisher solche Signale messen, doch nur f¨¹r ganze Populationen von hunderten oder tausenden Zellen. F¨¹r einzelne Zellen waren die bisher genutzten Methoden nicht empfindlich genug. So gingen die Signalstoffe individueller Zellen im Durchschnitt der Population unter: ?Es war unm?glich, Unterschiede zwischen den Zellen zu erkennen, etwa um kranke Zellen zu identifizieren?, sagt Aramesh.

Anders mit der neuen Methode, die vor Kurzem im Fachblatt externe Seite Nature Nanotechnology publiziert wurde. Dazu hat Morteza Aramesh zusammen mit seinen Kollegen ein sogenanntes Fluid-Force-Mikroskop mit einer speziellen Cantilever-Spitze ausger¨¹stet. Cantilever sind kleine Hebelarme mit einer feinen Spitze, die bei solchen Mikroskopen Oberfl?chen abtasten, zum Beispiel eben diejenige einer Zelle. Neu ist nun ein winziger Sensor an der Spitze des Hebelarms. Dieser besteht aus einer nur wenige Nano?meter messenden Pore aus Siliziumnitrid, die registriert, wenn die Zelle Molek¨¹le absondert.

Das funktioniert so: F¨¹r das Ausscheiden der Signalstoffe aus den Zellen sind Transportproteine zust?ndig, die in der Zellmembran sitzen. Die neu konstruierte Nanopore hat einen so kleinen Durchmesser, dass sie sich pr?zise ¨¹ber einem solchen Transportprotein positionieren l?sst und dort die Stoffe abf?ngt, die hindurchfliessen. Dabei analysiert der Nanosensor den Ionenstrom. Denn dieser ?ndert sich, wenn Ionen oder gr?ssere Biomolek¨¹le wie Proteine oder Nukleins?uren durch die Pore fliessen. Und anhand der Art und der Dauer der Ver?nderung des Ionenstroms lassen sich verschiedene Signalstoffe unterscheiden.

Einzelne Zellen unter der Lupe

Die Forschenden haben ihre Methode, die sie ?Scanning Nanopore Microscopy? nennen, mit Nervenzellen aus dem Gehirn von Ratten getestet. Bisher k?nnen sie einzelne Signalstoffe wie Ionen und einige Proteine unterscheiden. Als n?chstes wollen die Biophysiker ihre Nanosensoren weiterentwickeln, sodass sie zuk¨¹nftig weitere Signalstoffe erkennen. ?Unser Ziel ist, dass wir schliesslich alle Signale einer Zelle analysieren k?nnen?, sagt Janos V?r?s, Leiter des Labors f¨¹r Biosensoren und Bioelektronik und Letztautor der Publikation. Schon jetzt aber lassen sich mit der Methode alle Transportproteine einer lebenden Zelle lokalisieren.

Mehr noch: Mit dem neu entwickelten Sensor k?nnen die Forschenden auch in Zellen hineinblicken. Denn die Spitze mit dem Nanosensor ist so fein, dass sie die Zellmembran durchstechen kann, ohne dauerhaften Schaden anzurichten. Im Inneren l?sst sich dann analysieren, was aus dem Zellkern ausgeschieden wird. ?Besonders interessant sind hier RNA-Fragmente?, sagt V?r?s. Diese geben Aufschluss dar¨¹ber, welche Proteine eine Zelle gerade produziert ¨C ein wichtiger Faktor bei der Entstehung vieler Krankheiten.

?Unsere Methode verleiht Biologinnen und Biologen v?llig neue M?glich?keiten, das Verhalten einzelner Zellen zu untersuchen?, sagt V?r?s. Nicht nur, wenn es um Unterschiede zwischen kranken und gesunden Zellen geht, sondern auch etwa bei der Entwicklung von Stammzellen oder bei der Frage, ob sich Zellen im Labor genauso verhalten wie im K?rper. In Zukunft d¨¹rften sich viele weitere Fragestellungen mit dieser neuen Methode beantworten lassen.