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Biotechnik: Mit Hochdruck in die Zelle

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Die Zellmembran bildet eine effektive Barriere gegen die meisten eindringenden Stoffe, sei es DNA, ein Farbstoff oder die neueste Leitstruktur aus der Medikamentenentwicklung. Möchte man einen bestimmten Stoff in eine bestimmte Zelle transportieren, muss man die Zelle zu packen kriegen und mit einer feinen Nadel durchlöchern – was viel Übung und Fingerspitzengefühl verlangt. Eine elegante Alternative stellen nun Georgii Sankin, Fang Yuan und Pei Zhong von der Duke University in Durham vor. Sie schießen mit einem feinen Wasserstrahl Löcher in die Zellmembran, durch die auch große Moleküle in die Zelle eindringen können.

Ihre Methode basiert auf Kavitation, der Bildung sehr kurzlebiger Gasblasen in einer Flüssigkeit. Die dabei entstehenden Druckwellen fokussiert ein geschickt eingesetztes Blasen-Tandem, so dass ein hauchdünner, aber sehr starker Wasserstrahl entsteht. Die im Experiment verwendeten Gasblasen erzeugten die Forscher mit Hilfe des Farbstoffs Tryptanblau, der stark fokussiertes Laserlicht absorbierte und so die Flüssigkeit lokal stark aufheizte. Kurz nachdem eine so erzeugte Gasblase ihre maximale Größe erreicht hat, erzeugt ein zweiter Laser eine weitere Blase direkt daneben. Die Stoßwelle, die diese während ihrer Ausdehnung produziert, trifft die gerade in sich zusammenfallende Blase.

Normalerweise erzeugt eine Kavitationsblase zwei radiale Stoßwellen – eine nach außen, während sie sich ausdehnt, und eine nach innen während des Kollapses. Die benachbarte Blase jedoch bricht im entscheidenden Moment die Symmetrie und lässt die erste Blase statt in einem einzelnen Punkt in einer trichterförmigen Fläche kollabieren. Aus der Spitze dieses Trichters schießt ein feiner Wasserstrahl mit extrem hohem Druck und Geschwindigkeiten von über zehn Metern pro Sekunde. Der Vorgang gleicht dem Mechanismus, der am Ort eines ins Wasser geworfenen Steins kurz eine feine Wassersäule emporschießen lässt.

Blasen-Tandem schießt Loch in eine Zelle | Zwei Blasen, die sich koordiniert bilden und wieder kollabieren, erzeugen einen Wasserstrahl, der ein 200 Nanometer großes Loch in die Zelle schießt.
Die so erhaltenen Löcher in der Zellmembran messen lediglich 200 Nanometer – zu klein, um die Zelle sofort zu zerstören. Moleküle aus der umgebenden Lösung gelangen jedoch ohne Weiteres in die Zelle, wie die Forscher am Verhalten des Farbstoffs erkennen konnten. Zwei Probleme allerdings hat die neue Methode noch: Einerseits muss das eingeschleuste Molekül in hinreichenden Mengen im umgebenden Wasser gelöst sein, was nicht immer möglich sein wird. Andererseits wissen die Forscher auch nicht, ob die Zellen durch die Behandlung dauerhaft geschädigt werden – Tryptanblau ist giftig und tötete alle Zellen während des Experiments. (lf)

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  • Quellen
Zhong, P. et al.: Pulsating Tandem Microbubble for Localized and Directional Single-Cell Membrane Poration. In: Physical Review Letters 105, 078101, 2010.

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