Zellmechanik im Schnellverfahren analysieren

An der TU Dresden haben Wissenschaftler ein Analyseverfahren entwickelt, mit dem sich die mechanischen Eigenschaften von 100.000 Zellen in nur zwei Minuten auswerten lassen. Damit ist es 10.000-fach schneller als herkömmliche Methoden. Die hohe Geschwindigkeit erzielte das Forscherteam mit dem Einsatz einer modernen Hochgeschwindigkeitskamera. Woran erkennen Sie, dass eine Avocado reif ist? Sie prüfen ihre Festigkeit, indem Sie sie zusammendrücken. Je weicher sie ist, desto reifer ist sie. Ähnlich verhält es sich mit biologischen Zellen. Ihre mechanischen Eigenschaften erlauben vielfältige Rückschlüsse. So werden beispielsweise bestimmte weiße Blutkörperchen zu Beginn einer Infektion weicher. Viele Arten von Krebszellen sind leichter verformbar als gesunde Zellen und anhand der Festigkeit einer Zelle kann der Status des Zellzyklus abgeleitet werden.
Mit herkömmlichen Technologien konnten bisher innerhalb von einer Stunde maximal 100 Zellen abgetastet werden. Ein Tropfen Blut enthält jedoch bereits 10.000 weiße Blutkörperchen. Um eine aussagekräftige Menge davon zu analysieren, müsste man durchgehend 24 Stunden messen. Für eine routinemäßige, wirtschaftliche Anwendung in den Lebenswissenschaften oder der Medizin sind diese Technologien zu kompliziert und zu langsam.

Das Prinzip der Real-Time Deformability Cytometry
An der Technischen Universität Dresden haben Wissenschaftler deshalb ein Verfahren entwickelt, das die Auswertung um das 10.000-fache beschleunigt. Die vielfach ausgezeichnete Methode nennt sich „Real-Time Deformability Cytometry“ (RT-DC) und findet Anwendung im Accellerator. Bei diesem Aufbau strömen verformte Zellen mit einer Geschwindigkeit von 10 cm/s durch das Sichtfeld eines Mikroskops mit 400-facher Vergrößerung. Das System lässt sich im Prinzip an jedes inverse Mikroskop anschließen, wird jedoch am häufigsten mit einem Axioobserver von Zeiss eingesetzt. Eine Eosens CL1362 Hochgeschwindigkeitskamera von Mikrotron erfasst mit bis zu 4.000 Bildern pro Sekunde jede einzelne Zelle und steuert die 1 μs kurzen LED Lichtimpulse. Die Bilder werden in Echtzeit über eine Camera Link Schnittstelle an den Framegrabber und Computer übertragen.

Die Auflösung wird dabei automatisch an die Kanalbreite angepasst. Die Standardgröße beträgt 250 x 80 px. Ein eigens entwickeltes Programm auf Basis von Labview von National Instruments wertet dann die Deformationen jeder einzelnen Zelle aus.

Der Vorteil von Hochgeschwindigkeit
Die Analyse eines Bildes dauert unter 250 μs. So können die mechanischen Eigenschaften von mehreren hundert Zellen pro Sekunde gemessen werden. Innerhalb nur 15 Minuten steht eine genaue Charakterisierung aller Blutzellarten inklusiv Aktivierungsstatus der Zellen bereit. Durch den hohen Durchsatz an Zellen reicht dafür ein Tropfen Blut aus. Diese Messgeschwindigkeit erzielt der Accellerator durch die Kombination von High-Speed Kameratechnik und hoher Rechenleistung. Die Kamera wurde über offene Schnittstellen in das System integriert und kann mit Labview angesteuert werden.

Die Einsatzmöglichkeiten
Durch die hohe Geschwindigkeit wird die Auswertung der Zellmechanik zum ersten Mal für klinische Anwendungen nutzbar. Der mechanische Fingerabdruck von Zellen könnte künftig bei der schnellen Diagnose und beim Monitoring von Infektionen verwendet werden. Änderungen des Blutbildes oder metastasierende Zellen lassen sich in wenigen Minuten erfassen. In der Forschung können Prozesse untersucht werden, bei denen sich das Zytoskelett verändert. Im Fall der Migration oder Zellteilung könnte die Technik wertvolle Hinweise liefern.
Der Accellerator vereint High-End Lösungen im Bereich der Mikroskopie, Sensorik, Datenübertragung und Bildverarbeitung mit extrem hohen Datenraten. So kann er die mechanischen Eigenschaften von mehreren Hundert Zellen pro Sekunde vermessen. Diese Geschwindigkeit eröffnet vielfältige neue Anwendungsbereiche im Bereich der Diagnostik und Forschung.
Es können alle möglichen kleinen Partikel damit gemessen werden. Das kann in der Nahrungsmittelindustrie, Pharmaindustrie oder bei anderen Konsumgütern interessant werden. Beispielsweise für Kolloide in Kosmetika.

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