Forscher entwickeln neue Techniken, um die Biologie im Nanobereich zu verstehen.

Forscher der Washington State University haben zum ersten Mal gezeigt, dass sie elektrische Felder nutzen können, um wertvolle Informationen über die winzigen, schwimmenden Vesikel zu erhalten, die sich in Tieren und Pflanzen bewegen und für viele biologische Funktionen von entscheidender Bedeutung sind.

Die neue Technik könnte es für die Forscher einfacher und kostengünstiger machen, wichtige Informationen über viele biologische Prozesse zu erhalten – vom Verständnis der Ausbreitung der Infektion beim Menschen bis hin zur Verbesserung der Wirkstoffabgabe. Unter der Leitung von Adnan Morshed und Prashanta Dutta, Professorin an der School of Mechanical and Materials Engineering, wurde die Arbeit in Physical Review Fluids veröffentlicht.

Die Grundlage für einen Großteil der Biologie sind Zellen und, in noch kleinerem Maßstab, zellähnliche Blasen, die in Flüssigkeit herumfliegen und dabei wichtige Aufgaben erfüllen. So kommunizieren beispielsweise Neuronen in unserem Gehirn über Vesikel, die Informationen und Chemikalien von einem Neuron zum nächsten transportieren. Das HIV-Virus ist ein weiteres kleines Vesikel. Im Laufe der Zeit verändert sich das Vesikel, das HIV trägt, und wird steifer, was darauf hindeutet, dass das Virus immer infektiöser wird.

Aber das Studium der Eigenschaften dieser winzigen und äußerst wichtigen Zellsäcke, die durch Organismen in Flüssigkeiten wandern, war schwierig, besonders wenn die Forscher zu den kleinsten Schwimmern mit einer Größe von 40-100 Nanometern gelangen. Um biologische Prozesse auf kleinstem Raum zu untersuchen, verwenden die Forscher Rasterkraftmikroskope, die das Entfernen der Vesikel aus ihren natürlichen schwimmenden Häusern erfordern. Der Prozess ist teuer, umständlich und langsam. Außerdem zeigen die biologischen Materialien, indem sie sie aus ihrer natürlichen Umgebung herausgenommen werden, nicht unbedingt ihr natürliches Verhalten, sagt Dutta.

Das WSU-Forschungsteam hat ein System entwickelt, das ein mikrofluidisches System und elektrische Felder verwendet, um Vesikel besser zu verstehen. Ähnlich wie ein Lebensmittelhändler, der Produkte identifiziert, während sie über einen Scanner geführt werden, wenden die Forscher elektrische Felder in einer Flüssigkeit an, wenn das Vesikel durch eine enge Pore geht. Aufgrund des elektrischen Feldes bewegt sich das Vesikel, verformt sich oder reagiert je nach seiner chemischen Zusammensetzung unterschiedlich. Bei den HIV-Vesikeln zum Beispiel sollten die Forscher sehen können, wie das elektrische Feld das steifere, infektiösere Vesikel anders beeinflusst als ein flexibleres, weniger infektiöses Vesikel. Für die Verabreichung von Medikamenten könnte das System ein Vesikel unterscheiden, das mehr oder weniger ein Medikament enthält – auch wenn die beiden Zellen unter dem Mikroskop identisch aussehen könnten.

„Unser System ist kostengünstig und hat einen hohen Durchsatz“, sagt Dutta. „Wir können wirklich Hunderte von Proben auf einmal scannen.“

Er fügte hinzu, dass sie die Geschwindigkeit des Prozesses ändern können, um es den Forschern zu ermöglichen, Veränderungen der Eigenschaften genauer zu beobachten.

Die Forscher entwickelten ein Modell und testeten es mit synthetischen Liposomen, winzigen Beuteln, die für eine gezielte Wirkstoffabgabe verwendet werden. Sie hoffen, bald mit der Erprobung des Prozesses mit realistischeren biologischen Materialien beginnen zu können.

Mehr Informationen:
Adnan Morshed et al, Elektrodeformation von Vesikeln in einem flüssigen Medium, Physical Review Fluids (2018). DOI: 10.1103/PhysRevFluids.3.103702

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