Medizinische Diagnostik: Neue Messverfahren

22. April 2013
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Immunzellen haben die Aufgabe, den Organismus gegen Bakterien und krankheitserregende Partikel zu schützen. Sie tun dies, indem sie sich Fremdkörper einverleiben und so unschädlich machen. Diese sogenannte Phagozytose untersuchten nun Forscher.

Wenn eine Immunzelle auf einen schädlichen Fremdkörper trifft, beginnt sie ihn langsam zu umschließen. Es bildet sich in der Zelle eine schalenförmige Vertiefung aus, in die das Bakterium aufgenommen wird. Durch gezielte Verformungen der Zellmembran wird das Bakterium immer tiefer in die Zelle hineingezogen, bis es völlig von ihr umschlossen ist. Diesen Prozess, der nur wenige Minuten dauert, hat das deutsch-niederländische Team im Labor künstlich nachgeahmt. Eine gemeinsam entwickelte Forschungsidee wurde dabei von dem Doktoranden Matthias Irmscher (Eindhoven) umgesetzt, der an der Planung der Experimente wesentlich mitgewirkt hat.

Bei den Experimenten werden magnetische Partikel mit einem Durchmesser von nur 4,5 Mikrometern verwendet. Sie erhalten eine Beschichtung mit Antikörpern, so dass sie von Immunzellen als schädliche Fremdkörper identifiziert und angegriffen werden. Aufgrund ihrer magnetischen Eigenschaften haben die Partikel den entscheidenden Vorteil, dass sich ihre Bewegungen durch Magnetfelder steuern lassen. Diesen Effekt nutzen die Forscher in Bayreuth und Eindhoven aus. Sobald eine Immunzelle eine schalenförmige Vertiefung ausgebildet und einen Fremdkörper darin aufgenommen hat, versetzen sie dieses Partikel mithilfe von rotierenden Magnetfeldern in Rotationsbewegungen.

Aber wie können die Forscher die künstlich erzeugten Drehbewegungen der Fremdkörper beobachten und messen? Dies ist durch einen weiteren Kunstgriff möglich. Auf den Partikeln platzieren sie fluoreszierende Teilchen, die einen Durchmesser von nur 0,2 Mikrometern haben. Mithilfe dieser leuchtenden Markierungen ist es möglich, die Geschwindigkeit und die Richtung der Partikelbewegungen mit hoher Genauigkeit zu beobachten und zu messen.

Rückschlüsse auf die Immunzelle

Aufgrund dieser Messergebnisse können die Wissenschaftler Rückschlüsse auf Eigenschaften und Verhaltensweisen der Immunzelle ziehen. Von besonderem Interesse sind dabei die Zellmembran, welche die Oberfläche der schalenförmigen Vertiefung bildet, und das Zellskelett, das sich unterhalb der Membran befindet. Denn von der Festigkeit der Membran und des Zellskeletts hängt der mechanische Widerstand ab, auf den Bakterien und andere Krankheitsträger treffen. Die Forscher in Bayreuth und Eindhoven haben jetzt erstmals gemessen, dass sich dieser Widerstand erheblich ändert, während die Immunzelle sich den Fremdkörper einverleibt. Es ist ihnen außerdem gelungen, diese Schwankungen der mechanischen Zelleigenschaften mit hoher Präzision physikalisch zu beschreiben.

Mögliche Anwendungen in der medizinischen Diagnostik

Das neue Messverfahren ist nicht nur für die Grundlagenforschung interessant. Es könnte in Zukunft auch moderne Diagnosemethoden in der Medizin unterstützen. Denn durch die Messungen lässt sich mit hoher Genauigkeit ermitteln, wie die Membran und das Zellskelett gesunder Immunzellen normalerweise reagieren, wenn sie Bakterien und andere krankheitserregende Partikel unschädlich machen. Auf dieser Grundlage können auch Abweichungen präzise registriert werden.

“Wenn Immunzellen nicht das mechanische Standardverhalten zeigen, das bei gesunden Zellen ermittelt worden ist, kann das auf krankhafte Vorgänge in der Immunzelle hinweisen”, erklärt Prof. Dr. Holger Kress. “Denn erkrankte Zellen – beispielsweise im Gewebe von Tumoren – weisen recht häufig auch Änderungen in ihren mechanischen Eigenschaften auf. Dies gilt nicht nur für Immunzellen, sondern auch für zahlreiche andere Zellarten. Deshalb sind wir durchaus optimistisch, dass unser neues Verfahren nicht allein die Aufklärung der Phagozytose voranbringt, sondern auch dazu beitragen kann, medizinische Diagnosemöglichkeiten zu erweitern.”

Originapublikation:
A method for time-resolved measurements of the mechanics of phagocytic cups
Matthias Irmscher et al.; Journal of the Royal Society Interface, DOI: 10.1098/rsif.2012.1048; 2013

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Forschung, Medizin

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