„Matschige“ Laser könnten Aufschluss über Tumor- und Babywachstum geben

Neue „weiche“ Laser könnten helfen, das Geheimnis der biologischen Kräfte zu lösen, die die Entwicklung von Embryonen und Krebstumoren steuern.

Grundlegende biologische Prozesse, die von mechanischen Kräften angetrieben werden, die für das menschliche Auge unsichtbar sind, sind derzeit noch nicht vollständig erforscht. Nun hat ein Team von Physikern der University of St Andrews und der Universität zu Köln eine neue Methode entwickelt, um die von biologischen Zellen ausgeübten Kräfte präzise zu messen.

Ihre innovative Technik könnte unser Verständnis der Entwicklung menschlicher Embryonen und Krebstumoren verändern. Die Forschung wurde veröffentlicht In Licht: Wissenschaft und Anwendungen.

„Embryonen und Tumore beginnen beide mit nur wenigen Zellen“, erklärt Professor Malte Gather von der University of St Andrews. „Es ist immer noch eine große Herausforderung zu verstehen, wie sie sich während ihrer Entwicklung ausdehnen, zusammenziehen, zusammendrücken und falten. Die Fähigkeit, biologische Kräfte in Echtzeit zu messen, könnte eine bahnbrechende Entwicklung bedeuten. Sie könnte der Schlüssel zum Verständnis der genauen Mechanismen sein, die hinter der Entwicklung von Embryonen stehen, ob erfolgreich oder nicht, und wie Krebs wächst.“

Das Forschungsteam entwickelte „weiche“ Mikrolaser, die direkt in Embryonen injiziert oder in künstliche Tumore eingemischt werden können.

Professor Marcel Schubert von der Universität zu Köln erklärte, bei den Mikrolasern handele es sich eigentlich um Öltröpfchen, die mit einem fluoreszierenden Farbstoff versetzt seien.

Er sagte: „Wenn die biologischen Kräfte wirken, werden die Mikrolaser von den sie umgebenden Zellen gequetscht und verformt. Das Laserlicht ändert als Reaktion darauf seine Farbe und zeigt die Kraft an, die darauf einwirkt.“

Diese Innovation ermögliche es den Forschern, „biologische Kräfte in Echtzeit zu messen und zu überwachen“, bemerkte Professor Schubert und fügte hinzu, dass sie „in dickem biologischem Gewebe funktioniere, wo andere Methoden nicht angewendet werden können.“

Das Öl und der fluoreszierende Farbstoff, die zur Herstellung der Mikrolaser verwendet werden, bestehen aus ungiftigen, leicht verfügbaren Materialien, sodass sie biologische Prozesse nicht beeinträchtigen. Dieser Aspekt macht die Technologie nicht nur effektiv, sondern auch kommerziell rentabel.

Die Forscher erprobten ihre Methode an Fruchtfliegenlarven, um deren Entwicklung zu beobachten, sowie an künstlichen Tumoren aus Hirntumorzellen, sogenannten Tumor-Sphäroiden.

Professor Gather fügte hinzu: „Wir haben die dreidimensionale Kräfteverteilung innerhalb von Tumorsphäroiden gemessen und hochauflösende Langzeit-Kraftmessungen innerhalb der Fruchtfliegenlarven durchgeführt.“

Das Team sucht nun nach Finanzmitteln, um seine Methode für klinische Studien anzupassen, mit dem Ziel, ihre Anwendung auf größere Zellsysteme auszuweiten.

Professor Marcel Schubert erläutert: „Fast alle existierenden Techniken zur Messung von Kräften erfordern eine nahezu transparente Probe, was diese Techniken auf sehr dünne Zellschichten oder transparente Tiere wie Zebrafisch-Embryonen oder Drosophila-Embryonen im Frühstadium beschränkt.

„Die anderen Methoden sind optische Pinzetten, Zugkraftmikroskopie und Techniken zur Messung der Verformungen von Mikrokügelchen und Tröpfchen. Diese untersuchen die Form des verformten Kügelchens und nicht das Lichtspektrum wie wir, weshalb sie im Gewebe nicht funktionieren, wo man aufgrund der Lichtstreuung nichts sehen kann.“