Leuchtende Spirale: Perforierte Mikrobehälter lotsen lebende Zellen in definierte dreidimensionale Muster

07.03.2011 - USA

Damit wir unseren Weg finden, benutzen wir Landkarten. Zellen richten sich nach „chemischen Landkarten“, sie orientieren sich, indem sie Konzentrationsgradienten von Lockstoffen folgen oder Abwehrmitteln ausweichen. David H. Gracias und ein Team an der Johns Hopkins University (Baltimore, USA) haben jetzt eine pfiffige neue Methode entwickelt, um dreidimensionale Muster chemischer Konzentrationsgradienten in vitro zu erzeugen – mit bisher unerreichter Vielseitigkeit und Präzision in Raum und Zeit. Wie die Wissenschaftler in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, nutzen sie dazu winzige verschieden geformte Behälter mit unterschiedlichen Anordnungen von Schlitzen, durch die chemische Botenstoffe hinausdiffundieren können. So brachten sie fluoreszierende Zellen dazu, sich in Form einer grün leuchtenden Spirale anzuordnen.

Konzentrationsgradienten können nicht nur Bakterien, Pilzen und Amöben den Weg weisen, sie sind auch in den frühen Phasen der Embryogenese von großer Bedeutung, da die Entwicklung der Keimblätter durch Konzentrationsgradienten von Botenstoffen gesteuert wird. Dreidimensionale chemische Muster spielen bei vielen physiologischen und pathologischen Prozessen eine Rolle, etwa beim Wachstum von Blutgefäßen, der Regelung von Blutdruck und Herzfrequenz oder der Metastase von Tumoren. Und auch unsere Immunzellen finden dorthin, wo sie benötigt werden, indem sie Konzentrationsgradienten folgen.

Um solche Vorgänge genauer zu untersuchen, wollen Wissenschaftler chemische Gradienten in vitro nachahmen. Ein dreidimensionales chemisches Muster zu erzeugen und auch lange genug aufrecht zu erhalten, ist gar nicht so einfach. Mit bisherigen mikrofluidischen Methoden lassen sich nur zweidimensionale Muster in limitierter Größe erzeugen. Eine Alternative ist die hier vorgestellte Diffusion von Chemikalien aus präzise geformten porösen Behältern in stationären Medien. Durch eine Variation der Behältergeometrie und der Porenmuster der Wände sind die verschiedensten dreidimensionalen Konzentrationsmuster realisierbar.

Der besondere Trick: Gracias und seine Kollegen „basteln“ ihre Behälter aus zweidimensionalen Flächen, die über winzige Scharniere miteinander verbunden sind. Diese wurden so konzipiert, dass sich die Behälter von selber falten, wenn sie erhitzt werden, und nach dem Abkühlen fest verschlossen bleiben. So lassen sich Behälter in Größen von 100 nm bis zu wenigen Millimetern herstellen – für Untersuchungen von dersubzellulären bis zur Gewebe-Ebene. Vor dem Falten kann jede Fläche durch etablierte lithographische Methoden in höchster Präzision mit einer definierten Anordnung von Schlitzen oder Lochmustern perforiert werden.

Durch eine versetzte Anordnung von Schlitzen auf vier Flächen eines Quaders gelang es den Forschern, einen Lockstoff so austreten zu lassen, dass ein Konzentrationsgradient in Form einer um den Behälter gewundenen Spirale zu erzeugen. Fluoreszierende Bakterien folgten diesem Muster und ordneten sich zu einer grün leuchtenden Spirale an.