Winzige Laser in Zellen könnten als autonome Sensoren fungieren
Obwohl Fluoreszenzsonden nach wie vor der Goldstandard für die Zellforschung sind, weisen sie einige Einschränkungen auf. Aufgrund ihres relativ breiten Emissionsspektrums ist es schwierig, einzelne Sonden zu unterscheiden, wenn viele gleichzeitig arbeiten (Multiplexing). Außerdem neigen sie zu Photobleaching, können für Zellen phototoxisch sein und reagieren empfindlich auf Umweltfaktoren wie pH-Werte oder Temperaturen, was die Kalibrierung erschwert. Das vom Europäischen Forschungsrat(öffnet in neuem Fenster) finanzierte Projekt Cell-Lasers hat Pionierarbeit bei der Erforschung von Methoden zur Detektion stimulierter Laseremissionen aus neuartigen „Mikrolasern” geleistet, die in Zellen und Gewebe eingebracht werden. „Die extrem schmale Emissionslinienbreite, die hohe Kohärenz und Intensität dieser Laser ermöglichen die gleichzeitige Verfolgung von Hunderten von Zellen. Da sich die Laserlinien zudem präzise mit kleinsten Veränderungen in der unmittelbaren Umgebung des Lasers bewegen, können sie als hochempfindliche Kraft- und Chemiesensoren fungieren”, erklärt Projektkoordinator Matjaž Humar vom Jožef-Stefan-Institut(öffnet in neuem Fenster), dem Träger des Projekts. Das Team hatte bereits erstmals gezeigt, dass ein Laser in eine Zelle eingeführt werden kann. Cell-Lasers zeigte, wie solche Laser tatsächlich zur Untersuchung biologischer Prozesse eingesetzt werden können. Für diese Arbeit erhielt Humar den Zois-Preis für herausragende Leistungen(öffnet in neuem Fenster) in Slowenien.
Neue Perlen-, Blasen- und essbare Laser
Laser sind im Wesentlichen das Produkt von Licht, das in einem Medium verstärkt wird. Um diesen „Lasing“(öffnet in neuem Fenster) –Effekt auszulösen, führten Cell-Lasers ein fluoreszierendes Material in eine mikroskopische Kavität (das Medium) ein, das – angeregt durch eine externe Lichtquelle – das Licht zu einem präzisen optischen Signal verstärkt. Um diese Mikro-Laser in kultivierte lebende Zellen und Gewebe zu integrieren, experimentierte das Team mit einer Reihe von Lasermedien – von festen Perlen bis zu weichen Öltröpfchen –, bevor es Seifenblasen und sogar essbare Substanzen ausprobierte! Je nach untersuchtem Medium wurden sie entweder von den Zellen auf natürliche Weise aufgenommen oder mit einer winzigen Pipette injiziert. Die Analyse der spektralen Verschiebungen des emittierten Lichts ermöglichte die Messung der zellulären Kräfte sowie der Dynamik der Lipidtröpfchen. Das Team entwickelte außerdem eine Methode, um Zellen tief im Gewebe mithilfe der diffusen spektralen Lokalisationsbildgebung zu verfolgen, wodurch der Einsatzbereich über die Standardmikroskopie hinaus erweitert wurde. Es wurden umfangreiche Experimente durchgeführt, darunter die Injektion von Mikro-Öltröpfchen in Hydrogele, Hirngewebe und Fettzellen, um ihre Verwendung als Kraftsensoren zu validieren. Computer-Simulationen halfen anschließend, spektrale Verschiebungen mit bestimmten Tropfenveränderungen in Verbindung zu bringen und so die Wirksamkeit des Lasermediums zu gewährleisten. „Wir überwachten Veränderungen der Größe von Lipidtropfen in Fettzellen mit Nanometer-Präzision und konnten so Stoffwechsel-Dynamiken aufdecken, die der Standardmikroskopie zuvor verborgen blieben. Wir haben zudem Tropfenverformungen mit einer Nanometer-Präzision gemessen und konnten so zelluläre Kräfte von nur wenigen Piconewton erfassen“, sagt Humar.
Pionierarbeit für neue Forschungsrichtungen im Bereich Gesundheit und Lebensmittelsicherheit
Die intrazellulären Sensoren der Cell-Lasers bieten neue Möglichkeiten, um Krankheiten wie Krebs und Diabetes auf Einzelzellebene zu untersuchen, was potenziell zu besseren Diagnosegeräten wie „Smart-Tattoo“-Sensoren zur Glukoseüberwachung führen könnte. Als unerwartete Forschungsrichtung könnte das Projekt– „essbare Laser“(öffnet in neuem Fenster) dazu verwendet werden, wertvolle Produkte wie Olivenöl oder Medikamente zu kennzeichnen. Aus Materialien wie Gelatine und Chlorophyll hergestellt, die fluoreszieren und das Laserlicht verstärken, könnten sie in Lebensmittel integriert werden, die von den Verbrauchern zur Frischeprüfung gescannt werden können. Ein Start-up-Unternehmen wird in Betracht gezogen, um die Sensortechnologien des Projekts zu kommerzialisieren. Inzwischen geht die wissenschaftliche Forschung von Zellkulturen zu Patientenzellen über, um Krankheiten besser untersuchen zu können. Darüber hinaus wurden bei der Suche nach neuen Möglichkeiten, Zellen zu kennzeichnen, erstmals Quanteneinzelphotonenquellen als Barcodes innerhalb von Zellen eingesetzt. Dies führte zur ersten Demonstration der Erzeugung verschränkter Photonen in organischen Materialien und eröffnete neue Wege in der Quantenoptik, die derzeit im Rahmen des neuen SoftQuanta –Projekts erforscht werden.