„Squishy“-Laser könnten zeigen, wie Tumore und Babys wachsen

Neue „matschige“ Laser könnten dabei helfen, das Rätsel um die biologischen Kräfte zu lösen, die die Entwicklung von Embryonen und Krebstumoren steuern.

Grundlegende biologische Prozesse, die unter der Einwirkung mechanischer Kräfte ablaufen, die für das bloße Auge unsichtbar sind, werden von Wissenschaftlern noch immer kaum verstanden. Ein Team von Physikern der University of St Andrews und der Universität zu Köln hat eine neue Methode entwickelt, um die von biologischen Zellen ausgeübten Kräfte genau zu messen.

Ihre innovative Technik könnte unser Verständnis der Entwicklung menschlicher Embryonen und Krebstumore verändern. Die Forschung wurde veröffentlicht in Licht: Wissenschaft und Anwendungen.

„Embryonen und Tumore beginnen beide mit nur wenigen Zellen“, erklärt Professor Malte Gather von der University of St Andrews. „Es ist immer noch sehr schwer zu verstehen, wie sie sich während ihrer Entwicklung ausdehnen, zusammenziehen, komprimieren und falten. Die Möglichkeit, biologische Kräfte in Echtzeit zu messen, könnte eine echte Revolution sein. Es könnte helfen, die genauen Mechanismen zu verstehen, die der Entwicklung von Embryonen, ob erfolgreich oder nicht, und dem Wachstum von Krebs zugrunde liegen. »

Das Forschungsteam entwickelte „schwammige“ Mikrolaser, die direkt in Embryonen injiziert oder mit künstlichen Tumoren vermischt werden können.

Professor Marcel Schubert von der Universität zu Köln erklärt, dass es sich bei Mikrolasern eigentlich um mit einem Fluoreszenzfarbstoff dotierte Öltröpfchen handelt.

„Wenn biologische Kräfte wirken, werden die Mikrolaser von den sie umgebenden Zellen zerquetscht und deformiert. Als Reaktion darauf ändert das Laserlicht seine Farbe und zeigt die auf es wirkende Kraft“, erklärte er.

Diese Innovation ermöglicht es Forschern, „biologische Kräfte in Echtzeit zu messen und zu überwachen“, bemerkte Professor Schubert und fügte hinzu, dass sie „in dicken biologischen Geweben funktioniert, wo andere Methoden nicht angewendet werden können“.

Das zur Herstellung der Mikrolaser verwendete Öl und der fluoreszierende Farbstoff bestehen aus ungiftigen und leicht verfügbaren Materialien und stellen so sicher, dass sie biologische Prozesse nicht beeinträchtigen. Dieser Aspekt macht die Technologie nicht nur effizient, sondern auch kommerziell realisierbar.

Die Forscher testeten ihre Methode an Fruchtfliegenlarven, um zu sehen, wie sie sich entwickelten, sowie an künstlichen Tumoren aus Hirntumorzellen, sogenannten Tumorsphäroiden.

Professor Gather fügte hinzu: „Wir haben die 3D-Kraftverteilung innerhalb von Tumorsphäroiden gemessen und langfristige, hochauflösende Kraftmessungen innerhalb von Fruchtfliegenlarven durchgeführt.“ »

Das Team sucht nun nach Mitteln, um seine Methode für klinische Studien anzupassen, mit dem Ziel, ihre Anwendung auf größere zelluläre Systeme auszudehnen.

Professor Marcel Schubert erklärt: „Fast alle bestehenden Techniken zur Kraftmessung erfordern eine nahezu transparente Probe, was diese Techniken auf sehr dünne Zellschichten oder auf transparente Tiere wie Zebrafischembryonen oder Drosophila-Embryonen in einem frühen Stadium beschränkt.

„Andere Methoden sind optische Pinzetten, Zugkraftmikroskopie sowie Techniken zur Messung der Mikrokügelchen- und Tröpfchenverformung. Diese Techniken betrachten die Form der verzerrten Kugel und nicht wie wir das Spektrum des Lichts. Deshalb funktionieren sie nicht im Gewebe, wo aufgrund der Lichtstreuung nichts sichtbar ist. »