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Blick in die Nano-Welt

Technik. - Mit Elektronenmikroskopen können Wissenschaftler bis in die Nanostrukturen des Lebens vordringen. Nur müssen sie die Gewebe, die sie untersuchen wollen, vorher abtöten. Das Bild, das sie sich vom Leben machen wollen, ist damit verzerrt. Hamburger Forscher haben eine Technik entwickelt, mit der sich Leberzellen besonders lebensnah für das Mikroskop präparieren lassen und Artefakte minimiert.

Von Jo Schilling |
    Um unter einem Elektronenmikroskop einen Eindruck von lebendigen Strukturen zu bekommen, müssen diese Strukturen besonders still halten. Ein Elektronenmikroskop ist in der Lage, bis auf die molekulare Ebene zu vergrößern und jede noch so winzige Bewegung einer Zelle ruiniert das Bild. Das heißt, die Zellen müssen fixiert werden. Dr. Heinrich Hohenberg vom Heinrich-Pette-Institut für Experimentelle Virologie und Immunologie in Hamburg:

    90 Prozent der Elektronenmikroskopiker arbeiten heute noch mit chemischer Fixierung. Das heißt, die töten das Material ab, dann wird es auch noch entwässert, Wasser ist zu 80 bis 90 Prozent Bestandteil der Zellen und Wasser ist sehr gut organisiert in Zellen und wenn sie dieses Wasser entziehen, töten sie nicht nur die Zelle ab, sondern sie verändern auch die Proteine, denn Proteine und Lipide sind definiert durch die Wasserschicht, die sie in der Zelle haben.

    Damit ist dann zwar das Bild scharf, aber die Informationen, die es liefert, lassen nur eine Ahnung davon zu, was das Leben in einer Zelle wirklich treibt. Biochemische Prozesse laufen in Milli- und Nanosekunden ab. Sobald eine Zelle stirbt, verändert sich augenblicklich ihre gesamte Struktur und ihr Umfeld.

    Wenn sie ein Gewebe aus dem Körper herausschneiden, ist es sofort anders, weil es von den Blutbahnen abgeschnitten ist, das heißt, der Zerfallsprozess beginnt sofort.

    Beispiel Leberzellen, für die sich die Hamburger interessieren: Nach 15 Sekunden haben sie schon ein völlig anderes Proteinmuster. Deshalb versuchen die Wissenschaftler die Zellen auszutricksen. Sie nehmen eine Gewebeprobe, sperren sie in einen winzigen Zylinder und legen sie in eine Nährlösung.

    Es wächst eine Minileber, ein Miniorgan.

    Diese Minileber ist einen Millimeter lang, hat einen Durchmesser von 0,2 Millimetern und steckt in einer Hülle aus Zellulose-Carbonat. Die lässt zwar Nährstoffe hinein, aber nichts heraus.

    Das heißt, wir haben ein Miniorgan, Individualspezifisch zum Beispiel für einen Patienten und nun schauen wir, wenn wir zum Beispiel ein Partikel haben mit einem Zellgift daran, das injizieren wir in diese Röhrchen, sie können durch ein Gelkissen injizieren, geben die Droge hinein und dann fängt die an zu wirken.

    Und zwar so, wie in einer richtigen Leber und nicht wie in einer gewöhnlichen Zellkultur in der Petrischale.

    Kein Molekül geht raus aus diesem kleinen Gefängnis, das wir für die Zellen gemacht haben, nur die Nährstoffe gehen hinein und dann können sie sehen was dort passiert und sie können jederzeit über gefrieren, diese Situation einfrieren.

    Sogar unter dem Lichtmikroskop lassen sich die Leberzellen beobachten, denn der Mantel, der sie umgibt, ist durchsichtig. Aber der Hauptzweck ist natürlich, aussagekräftige Präparate für das Elektronenmikroskop zu erhalten. Dazu tauchen die Wissenschaftler aus Hamburg die Container bei minus 90 Grad Celsius in flüssigen Alkohol. Da die Stäbchen nur einen Durchmesser von 0,2 Millimetern haben, frieren die Zellen augenblicklich ein, ohne störende Eiskristalle zu bilden. Der Alkohol verdrängt das Wasser in den Zellen und mit speziellen Zusatzstoffen, die aushärten, wird aus der Minileber ein starrer Zylinder mit fünf Millionen Zellen. Die können über Schnitttechniken für die Mikroskopie in zehn Millionen Scheibchen zerlegt werden. Und die haben bis zu dem Augenblick des Einfrierens gelebt.

    Wenn wir dasselbe Präparat nehmen, es teilen in zwei Teile, den linken Teil konventionell präparieren und den rechten Teil mit so genannten Cryoverfahren, vergleichen dann beides miteinander, dann sehen sie, was Sie bisher falsch gemacht haben mit konventionellen Techniken.

    Mit einer winzigen Gewebeprobe aus dem Tumor eines Patienten kann so die Wirkung von Krebs-Medikamenten, Stammzellen oder jeder beliebigen anderen molekularen Therapie getestet werden. Unter dem Mikroskop ist die Zelle so konserviert, wie sie im Organverband tatsächlich gelebt hat und Heinrich Hohenberg kann mit dem Elektronenstrahl...

    ...eine Zelle, einen zellulären Bereich ansteuern und das ist praktizierte Nanotechnologie.