Nanobiotechnologie
Funktionelle Analyse des Zell-Substrat-Kontaktes
Viele moderne mikroskopische Techniken, die in der Zellbiologie Verwendung finden, erlauben eine genaue
Untersuchung der Zelloberseite. So ermöglichen Methoden wie AFM (atomic force microscopy),
SICM (scanning ion-conductance microscopy), SNOM (scanning near-field optical microscope),
SEM (scanning electron microscopy) und TOF-SIMS (time-of-flight secondary ion mass
spectroscopy) neben der hochauflösenden Abbildung auch die Bestimmung physikalischer Parameter
der Zelloberfläche oder die molekulare Analyse der apikalen Zellkomponenten. Nicht-invasive Techniken,
die eine detaillierte Aufklärung der Zellunterseite zulassen, sind dagegen rar. Dabei haben diese Methoden
große Bedeutung, um unterschiedliche biochemische und medizinische Fragestellungen beleuchten zu
können. So sind derartige Techniken besonders geeignet, um die Biokompatibilität von Materialien
zu studieren, die für Prothesen und Implantate verwendet werden. Neben der Charakterisierung
funktionalisierter Oberflächen ist auch der Einsatz einer solchen Methode als Biosensor möglich, da
sich zelluläre Veränderungen oftmals an der Zellunterseite äußern. Die
Quarzmikrowaage (QCM) ist eine nicht-invasive Methode, die den Zugang zur Unterseite der Zelle
ermöglicht und diesen Bereich mit hoher Sensitivität charakterisieren kann. Um diese Technik
allerdings zur Detailanalyse der Zell-Substrat-Region einsetzen zu können, ist ein genaues
Verständnis des QCM-Signals nötig. Im Berichtszeitraum haben wir das QCM-Signal durch
mikro-gravimetrische Untersuchung unterschiedlicher Zelltypen sowie chemisch manipulierter Zellsysteme
weiter aufgeklärt. So ergab
eine Untersuchung des Zell-Substrat-Abstands mit der sog. FLIC-Mikroskopie, dass die Distanz zwischen der
basolateralen Membran und der Quarzoberfläche entgegen der Erwartung keine Einfluss auf die
Schwingungsparameter nimmt. Durch eine elektrochemische Impedanzanalyse der adhärenten Zellen
(ECIS) und den aus mikroskopischen Untersuchungen bekannten Dimensionen des Adhäsionskontaktes
konnte die Berechnung des spezifischen Elektrolytwiderstands im Adhäsionskontakt erfolgen. Es zeigte
sich, dass dieser je nach Zelltyp teilweise um Größenordnungen vom spezifischen
Elektrolytwiderstand der bulk-Phase abweicht. Ein Vergleich der Elektrolytwiderstände im
Adhäsionskontakt mit mikrogravimetrischen Daten ergaben eine schwache und nur wenig belastbare
Korrelation. Zur weiteren Analyse der Zusammensetzung des QCM-Signals wurden gezielt Manipulationen des
Proteingerüstes der Zelle und der Zusammensetzung der Zellmembran vorgenommen, die
mikrogravimetrisch nachweisbare Veränderungen im Adhäsionskontakt induzierten. Eine chemische
Vernetzung der zellulären Proteine ergab einen drastischen Anstieg der Energiedissipation. Eine selektive
Zerstörung des Aktincytoskeletts vor dieser chemischen Vernetzungsreaktion konnte diese Wirkung
deutlich vermindern. Diese Resultate implizieren, dass das Aktincytoskelett und weitere am
Adhäsionskontakt beteiligte Proteine für das QCM-Signal bedeutsam sind. Zur weiteren
Untersuchung des QCM-Signals wurde Giant Liposomes als chemisch definierte Modellsysteme
eingesetzt und mit der QCM systematisch untersucht.
Beteiligte Wissenschaftler:
Veröffentlichungen:
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