Forscher können jetzt den osmotischen Druck in lebendem Gewebe sichtbar machen

Um zu überleben, müssen Organismen den Druck in ihrem Inneren kontrollieren, von der Einzelzellebene bis hin zu Geweben und Organen. Die Messung dieser Drücke in lebenden Zellen und Geweben unter physiologischen Bedingungen ist eine Herausforderung.

In der Forschung, die ihren Ursprung an der UC Santa Barbara hat, arbeiten Wissenschaftler jetzt am Exzellenzcluster Physics of Life (PoL) an der Technischen Universität Dresden (TU Dresden), Deutschland, Bericht im Journal Naturkommunikation eine neue Technik, um diesen Druck während der Entwicklung von Organismen zu „visualisieren“. Diese Messungen können helfen zu verstehen, wie Zellen und Gewebe unter Druck überleben, und zeigen, wie Probleme bei der Druckregulierung zu Krankheiten führen.

Wenn in Wasser gelöste Moleküle in verschiedene Kompartimente aufgeteilt werden, hat Wasser die Tendenz, von einem Kompartiment in ein anderes zu fließen, um ihre Konzentrationen auszugleichen, ein Vorgang, der als Osmose bekannt ist. Wenn einige Moleküle die sie trennende Membran nicht passieren können, entsteht zwischen den Kompartimenten ein Druckungleichgewicht – der osmotische Druck.

Dieses Prinzip ist die Grundlage für viele technische Anwendungen, etwa für die Entsalzung von Meerwasser oder die Entwicklung von Feuchtigkeitscremes. Es stellt sich heraus, dass auch die Erhaltung eines gesunden, funktionierenden Organismus auf der Liste steht.

Unsere Zellen bewegen ständig Moleküle hinein und heraus, um zu verhindern, dass der Druckaufbau sie zerstört. Dazu nutzen sie Molekularpumpen, die es ihnen ermöglichen, den Druck unter Kontrolle zu halten. Dieser osmotische Druck beeinflusst viele Aspekte des Zelllebens und bestimmt sogar ihre Größe.

Wenn sich Zellen zusammenschließen, um unsere Gewebe und Organe aufzubauen, stehen auch sie vor einem Druckproblem: Unser Gefäßsystem oder Organe wie die Bauchspeicheldrüse oder die Leber enthalten mit Flüssigkeit gefüllte Hohlräume, sogenannte Lumen, die für ihre Funktion unerlässlich sind. Wenn es den Zellen nicht gelingt, den osmotischen Druck zu kontrollieren, können diese Lumen kollabieren oder explodieren, was möglicherweise katastrophale Folgen für das Organ haben kann.

Um zu verstehen, wie Zellen den Druck in diesen Geweben regulieren oder warum sie dies bei Krankheiten nicht tun, ist es wichtig, den osmotischen Druck in lebenden Geweben zu messen und zu „sehen“. Doch leider war dies nicht möglich.

Bis jetzt.

Unter der Leitung des ehemaligen UCSB-Professors Otger Campàs, der heute den Lehrstuhl für Gewebedynamik an der TU Dresden innehat und derzeit Geschäftsführer von PoL ist, entwickelten die Wissenschaftler eine neuartige Technik zur Messung des osmotischen Drucks in lebenden Zellen und Geweben mithilfe spezieller Tröpfchen, sogenannter Doppelemulsionen.

Für diesen Drucksensor haben sie einen Wassertropfen in einen Öltropfen eingebracht, der den Wasserdurchfluss ermöglicht. Wenn diese „Doppeltröpfchen“ Salzlösungen unterschiedlicher Konzentration ausgesetzt wurden, floss Wasser in das innere Wassertröpfchen hinein und aus ihm heraus und veränderte sein Volumen, bis der Druck ausgeglichen war. Die Forscher zeigten, dass der osmotische Druck einfach durch die Messung der Tröpfchengröße gemessen werden kann. Anschließend führten sie diese Doppeltröpfchen mithilfe von Mikrokapillaren aus Glas in lebende Zellen und Gewebe ein, um deren osmotischen Druck zu ermitteln.

„Es stellt sich heraus, dass Zellen in tierischen Geweben den gleichen osmotischen Druck haben wie Pflanzenzellen, aber im Gegensatz zu Pflanzen müssen sie diesen ständig mit ihrer Umgebung ausgleichen, um eine Explosion zu vermeiden, da sie keine starren Zellwände haben“, sagte Campàs.

Mit diesem einfachen Konzept und dieser genialen Methode können Wissenschaftler nun den osmotischen Druck in einem breiten Spektrum von Umgebungen „sehen“. „Wir wissen, dass mehrere physikalische Prozesse die Funktion unseres Körpers beeinflussen“, sagte Campàs. „Insbesondere der osmotische Druck spielt bekanntermaßen eine grundlegende Rolle beim Aufbau von Organen während der Embryogenese und auch bei der Erhaltung gesunder erwachsener Organe. Mit dieser neuen Technik können wir nun untersuchen, wie sich der osmotische Druck auf alle diese Prozesse direkt im Leben auswirkt.“ Gewebe.“

Diese Methode bietet nicht nur Einblicke in die biologischen Prozesse und physikalischen Prinzipien, die das Leben bestimmen, sondern bietet auch vielversprechende industrielle und medizinische Anwendungen, einschließlich der Überwachung der Hautfeuchtigkeit, der Charakterisierung von Cremes oder Lebensmitteln und der Diagnose von Krankheiten, von denen bekannt ist, dass sie ein Ungleichgewicht des osmotischen Drucks aufweisen, wie z. B. Herz-Kreislauf-Erkrankungen oder Tumoren. Das Patent für diese Technik wird derzeit von der UC Santa Barbara erteilt, wo Campàs seine Forschungen durchgeführt hat, bevor er an die TU Dresden kam.

Campàs‘ Labor entwickelte zuvor einzigartige Techniken zur Messung der winzigen Kräfte, die Zellen im Gewebe erzeugen, sowie anderer physikalischer Eigenschaften mithilfe winziger Einzeltröpfchen. Antoine Vian, der Hauptautor der Arbeit und Experte für Mikrofluidik, die Technologie, die die Erzeugung von Doppelemulsionströpfchen ermöglicht, betonte ihre Schlüsselrolle.

„Doppelemulsionen sind sehr vielseitig und haben viele verschiedene Anwendungen in Wissenschaft und Technologie“, sagte er. „Einzelne Tröpfchen können verformt werden, sind aber inkompressibel und erlauben keine Druckmessungen. Im Gegensatz dazu können doppelte Emulsionströpfchen ihre Größe ändern und als osmotische Drucksensoren verwendet werden. Ihr Einsatz in lebenden Systemen wird sicherlich neue und aufregende Entdeckungen ermöglichen.“