Spannungsprüfer für schlagende Herzzellen
Wissenschaftlern gelang es erstmals, den Strom durch Membrankanäle in schlagenden Herzmuskelzellen zu messen. Dazu kombinierten sie ein Rasterkraftmikroskop mit einem breit eingesetzten Verfahren zur Messung von elektrischen Signalen in Körperzellen.
Elektrische Impulse spielen in Körperzellen eine wichtige Rolle. So leiten etwa Nervenzellen mit solchen Impulsen Informationen entlang ihrer Ausläufer weiter, oder der Körper steuert damit die Kontraktion von Muskeln. Die Impulse entstehen, wenn sich spezialisierte Kanalproteine in der Aussenhülle der Zellen öffnen und dadurch geladene Moleküle (Ionen) in die Zelle hinein oder aus der Zelle hinaus gelangen können. Diese Proteine werden Ionenkanäle genannt. Seit den 1970er Jahren steht Wissenschaftlern eine Methode zur Verfügung, um deren Aktivität zu messen. Bisher wurde diese Technik vor allem an Zellen angewendet, die sich nicht bewegen. Elektrotechniker der ETH Zürich und Biologen der Uni Bern haben die Methode nun so weiterentwickelt, dass sie damit auf einfache Weise auch sich bewegende Zellen messen können, wie zum Beispiel schlagende Herzmuskelzellen in der Zellkulturschale.
In der seit rund vierzig Jahren existierenden Methode führen Wissenschaftler eine Glas-Pipette an die Aussenmembran einer Zelle. Die Öffnung an der Spitze der Pipette ist so klein, dass sie nur einen Bruchteil der Zelloberfläche berührt. Idealerweise befindet sich auf diesem kleinen Fleck der Zellmembran genau ein Ionenkanal. Das Innere der Pipette ist mit einer leitenden Flüssigkeit gefüllt, ausserdem befindet sich darin eine Elektrode. So ist es möglich, Unterschiede in der Ladung zwischen Zelläusserem und Zellinnerem zu messen (das heisst eine elektrische Spannung) sowie kurzfristige Änderungen in dieser Spannung, die auf die Aktivität der Ionenkanäle zurückgehen. Die Methode wird Patch-Clamp-Technik genannt, weil mit der Pipette ein Stück (englisch: patch) der Zellmembran festgehalten (englisch: to clamp) wird.
Rasterkraftmikroskop mit Mikro-Injektionsnadel
Die Forscher unter der Leitung von Tomaso Zambelli, Privatdozent am Institut für Biomedizinische Technik der ETH Zürich, und Hugues Abriel, Professor am Departement Klinische Forschung der Universität Bern, kombinierten nun diese Technik mit einem Rasterkraftmikroskop. Bei diesem sitzt eine Messspitze an einer beweglichen Halterung, einer sogenannten Blattfeder, um die Oberfläche eines mikroskopischen Objekts abzutasten. Bereits vor einigen Jahren ist es den Forschenden gelungen, Messspitzen mit einem inneren Kanal herzustellen, womit sie computergesteuert Moleküle in eine Zelle injizieren konnten. Diese Technik wird mittlerweile vom ETH-Spin-off Cytosurge vermarktet. Zambelli und seine Kollegen entwickelten diese Technik jedoch noch weiter, indem sie die Mikro-Injektionsnadel mit einer Elektrode bestückten, um damit in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern um Abriel Patch-Clamp-Messungen durchzuführen. Den Erfolg dieses Unterfangens veröffentlichten die Forscher nun in der Fachzeitschrift Nano Letters.
Die Patch-Clamp-Technik ist nicht nur eine zentrale Methode in der zellbiologischen Grundlagenforschung, sondern kommt auch routinemässig bei der Entwicklung neuer Medikamente zum Einsatz. So muss die Pharmaindustrie im Rahmen des Zulassungsverfahrens von neuen Wirkstoffen von Gesetzes wegen prüfen, ob diese mit Ionenkanälen wechselwirken. Denn ein die Ionenkanäle blockierender Wirkstoff könnte bei Patienten zu schweren Herzrhythmusstörungen führen, was man tunlichst vermeiden möchte.
Längere Messungen und Automatisierung möglich
Bei der herkömmlichen Patch-Clamp-Technik führt ein Operateur die Pipette von Hand an die Zelle heran. Es existieren zwar auch automatisierte Verfahren, deren Anwendung ist jedoch limitiert. So müssen die zu untersuchenden Zellen etwa die gleiche Grösse und Form aufweisen, und sie dürfen sich nicht bewegen (wie das Herzmuskelzellen tun).
Beim neuentwickelten Verfahren wird die Mikro-Nadel über die Kraft-Messungen des Rasterkraftmikroskops computergesteuert in einem konstant geringen Abstand zur Zelloberfläche gehalten. «Dadurch ist der Kontakt zwischen Nadel und Zelle viel stabiler. Wir können so über eine längere Zeit messen und gar sich bewegende Zellen untersuchen», erklärt Zambelli. Den Forschenden ist es damit erstmals gelungen, in schlagenden Herzmuskelzellen Spannungsänderungen über Ionenkanälen zu messen. Ausserdem sei es denkbar, auf dieser Grundlage ein automatisiertes Verfahren zu entwickeln, um damit beliebige Zellen unabhängig ihrer Form und Grösse zu messen, sagt Zambelli.
Literaturhinweis
Ossola D, Amarouch MY, Behr P, Vörös J, Abriel H, Zambelli T: Force-Controlled Patch Clamp of Beating Cardiac Cells. Nano Letters, 2. Februar 2015, doi: externe Seite 10.1021/nl504438z