Nanosensoren als mögliche Alternative

2. Jänner 2012, 21:19
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Neues Verfahren misst "Wohlbefinden" lebender Zellen, nachdem sie der zu untersuchenden Substanz ausgesetzt wurden

München - Unzählige Tiere leiden und sterben jedes Jahr für die Wissenschaft. Während die Zahl der Tierversuche in Österreich im Abnehmen ist (von 220.456 bzw. 207.738 in den Jahren 2008 und 2009 auf 187.236 im Jahr 2010), steigt die Zahl der Labortiere in Deutschland an. Im Jahr 2009 wurden in deutschen Labors 2,79 Millionen Tiere zu Forschungszwecken eingesetzt (2005 waren es noch etwa 2,41 Millionen Tiere). Forscher der Fraunhofer-Einrichtung für Modulare Festkörper-Technologien EMFT in München wollen die Zahl der Tierexperimente nun mit Hilfe neuartiger Nanosensoren verringern. Das Verfahren muss jedoch erst zugelassen werden.

"Wir testen Chemikalien quasi im Reagenzglas auf ihre Wirksamkeit und ihr Risikopotenzial. Hierfür setzen wir lebende Zellen, die aus menschlichem und tierischem Gewebe isoliert und in Zellkulturen gezüchtet wurden, der zu untersuchenden Substanz aus", erläutert Jennifer Schmidt vom EMFT. Ist der Wirkstoff in einer bestimmten Konzentration giftig für die Zelle, stirbt die Zelle. Diese Änderung des "Wohlbefindens" können Schmidt und ihr Team mit ihren Sensor-Nanopartikeln sichtbar machen.

Messung

Gesunde Zellen speichern ihre Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP). Je mehr ATP vorhanden ist, desto aktiver ist die kleinste lebende Einheit. Wird diese stark geschädigt, verringert sie schlussendlich ihre Stoffwechselaktivität, speichert weniger Energie und produziert infolgedessen auch weniger ATP. "Mit unseren Nanosensoren können wir das Adenosintriphosphat detektieren und feststellen, in welchem Gesundheitszustand sich Zellen befinden. Dies wiederum lässt Rückschlüsse auf den zellschädigenden Einfluss von Medikamenten oder Chemikalien zu", so Schmidt.

Damit die Nanopartikel das ATP erkennen, statten die ForscherInnen sie mit zwei Fluoreszenzfarbstoffen aus: einem grünen Indikatorfarbstoff, der sensibel auf ATP reagiert, und einem roten Referenzfarbstoff, dessen Farbe sich nicht verändert. Im nächsten Schritt schleusen die Wissenschaftler die Partikel in die lebenden Zellen ein und beobachten sie unter dem Fluoreszenzmikroskop. In Abhängigkeit der Menge des vorhandenen ATPs leuchten die Partikel unterschiedlich stark: Je gelber das Signal im Überlagerungsbild erscheint, desto aktiver ist die Zelle. Wäre diese in einem schlechten Zustand, würde das Überlagerungsbild deutlich röter ausfallen.

Chemotherapeutika

"Werden beispielsweise Krebszellen verwendet, lässt sich zukünftig die Wirksamkeit neu entwickelter Chemotherapeutika testen. Detektieren wir mit den Nanosensoren eine geringe ATP-Konzentration in den Zellen, wissen wir, dass das neue Medikament die Tumorzellen in ihrem Wachstum hemmt oder gar abtötet", erläutert die Forscherin. "Die vielversprechendsten Medikamente können dann weiter untersucht werden."

Die Nanopartikel der EMFT-Forscher genügen den Angaben zufolge hohen Ansprüchen: Sie sind nicht giftig für Zellen, passieren problemlos die Zellmembran und lassen sich gezielt dorthin transportieren, wo die Testsubstanz detektiert werden soll. Während das Verfahren nun den "langen Weg durch die Genehmigungsinstanzen" antreten soll, will die Forschungsgruppe die Technologie weiterentwickeln und flexibel einsetzen: Um zum Beispiel die Qualität und Genießbarkeit von verpacktem Fleisch zu ermitteln, haben die ForscherInnen Nanosensoren entwickelt, die die Konzentration von Sauerstoff und toxischen Aminen bestimmen können. (red)

  • Nanosensoren zeigen die Aktivität von Zellen - von links nach rechts: Signal des Referenzfarbstoffs, Signal des Indikatorfarbstoffs und das gelbe Signal im Überlagerungsbild, das anzeigt, dass die Zellen aktiv sind. In schlechtem Zustand wären die Zellen statt gelb deutlich röter.
    foto: fraunhofer emft

    Nanosensoren zeigen die Aktivität von Zellen - von links nach rechts: Signal des Referenzfarbstoffs, Signal des Indikatorfarbstoffs und das gelbe Signal im Überlagerungsbild, das anzeigt, dass die Zellen aktiv sind. In schlechtem Zustand wären die Zellen statt gelb deutlich röter.

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