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Neues Messprinzip für Veränderungen von Zellen

Mit einem neuen Messprinzip, das mit Nadelelektroden die Ladungsverschiebung in lebenden Zellen misst, kann festgestellt werden, wie sich verschiedene Substanzen auf lebende Zellen auswirken und welche Schäden sie verursachen Dr. Lornejad-Schäfer von der BioMed zet Life Science GmbH hatte die Idee zu dem interdisziplinären Projekt mit der JKU. Das Institut für Mikroelektronik und Mikrosensorik und die BioMed-zet Life Science GmbH haben das Messprinzip anhand der Wirkung von Paracetamol auf Leberzellen entwickelt.

Mit nicht-invasiven Testmethoden können biologische und physiologische Zellprozesse online und markierungsfrei an Zellen verfolgt werden, ohne dass das Experiment beendet werden muss. Der Trend bei Experimenten in den Life Sciences geht zusätzlich dahin, dreidimensionale Zellkulturen zu untersuchen, da sie wesentlich bessere Testergebnisse liefern als herkömmliche Zellkulturen in Petrischalen.

Eine klassische Referenzsubstanz zum Nachweis der Lebergiftigkeit – also wie sehr eine Substanz die Leber zu schädigen vermag – ist der Wirkstoff Paracetamol. Anhand eines 3D Lebermodells wurde nun mit Paracetamol eine nicht-invasive Messmethode entwickelt, die auf dem Reflektionskoeffizienten S11 basiert und misst, mit welcher Paracetamol-Konzentration und nach welcher Zeit Ladungsveränderungen in den Leberzellen auftreten. Mit dieser Methode ist es möglich, das Dosis- und Zeitfenster für Schädigungen eng zu begrenzen, wodurch die aufwändigen zell- und molekularbiologischen Analysen, die nun folgen müssen, um die spezifische Wirkung der Testsubstanz zu bestimmen, minimiert und vereinfacht werden können.

Moleküle als Ladungsträger

Bei einer herkömmlichen Zellkultur in Petrischalen kann die zunehmende Zellschädigung durch Paracetamol am einfachsten mit Hilfe eines Lichtmikroskops beobachtet werden. In 3D Zellmodellen funktioniert das allerdings nicht, wenn der Zellträger lichtundurchlässig strukturiert ist.

Eine Überdosierung des Paracetamol schädigt die Leberzellen, die sich in den Zellen anhäufen, Zellmoleküle und Zellmembranen angreifen und schließlich die Zellen zerstören. Die schädlichen molekularen Prozesse verändern die elektrischen Eigenschaften des Leberzellmodells.

Elektrische Eigenschaften Nadel-Elektrode.jpg

Das nun entwickelte Messsystem besteht aus zwei Elektroden, die mit einem Netzwerkanalysator verbunden sind. „Für die Messung im 3D Lebermodell haben wir verschiedene Elektrodentypen entwickelt,“ sagt Assist.Prof. Dr. Wolfgang Hilber vom Institut für Mikroelektronik und Mikrosensorik. „Die besten Resultate gab es mit Nadelelektroden.“ Die elektrischen Eigenschaften des 3D Lebermodells werden zwischen den zwei Elektroden gemessen, indem elektromagnetische Wellen emittiert und Amplitude und Phase der reflektierten Welle gemessen werden. Das Leberzellmodell dient hier als Netzwerk aus Widerständen und Kapazitäten, die den mit Hilfe des Netzwerkanalysators aufgezeichneten Reflektionskoeffizienten beeinflussen.

Messprinzip breit einsetzbar

Im Leberzellkulturmodel (in vitro) war eine Konzentration über 5 mM Paracetamol nach 24 Stunden  lebergiftig. Zum Vergleich ist die toxische Plasmakonzentration im Blut bei Erwachsenen nach oraler Aufnahme von Paracetamol bei ca. 1,3 mM erreicht. Darmzellen, wie z.B. die Caco-2 Zellen sind gegenüber Paracetamol viel toleranter.

„Wir sind bei der Entwicklung unserer Messmethode von Paracetamol ausgegangen, das Messprinzip funktioniert aber genauso für andere Substanzen, die elektrische Veränderungen an lebenden Systemen auslösen“, sagt Hilber. Es wurde bereits eine Reihe weiterer Substanzen an 3D Lebermodellen untersucht und unterschiedliche S11- und Impedanzabhängige Profile im Zeitverlauf erstellt.