Steuerung des Zellverhaltens mit Magneten

Zum ersten Mal haben Forscher gezeigt, wie man Zellfunktionen mit einem physikalischen und nicht mit einem chemischen Signal steuern kann. Mit einem Magnetfeld, um winzige Kügelchen zusammenzuziehen, die auf bestimmte Zellrezeptoren gerichtet waren, ließen Harvard-Forscher die Zellen Kalzium aufnehmen, dann stoppen und wieder aufnehmen. Ihre Arbeit ist die erste, die belegen, dass ein solches Maß an Kontrolle über Zellen möglich ist. Wenn der Ansatz auf viele Zelltypen und Zellfunktionen angewendet werden kann, könnte dies zu einer völlig neuen Klasse von Therapien führen, die darauf angewiesen sind, dass Zellen selbst Medikamente herstellen und freisetzen.

Zellenschalter: Mit Nanopartikeln beschichtete Immunzellen nehmen in Gegenwart eines Magnetfelds Calcium auf. Jedes Nanopartikel misst ungefähr 30 Nanometer im Durchmesser. In diesem Bild nehmen gelbe Zellen als Reaktion auf ein lokalisiertes Magnetfeld Kalzium auf. Zellen, die weiter vom Feld entfernt sind, werden lila dargestellt und nehmen kein Kalzium auf.

Die Forschung, die in der Zeitschrift erschien Natur Nanotechnologie , wurde angeführt von Donald Ingber , Professor für Pathologie an der Harvard Medical School und Co-Vorsitzender des Harvard Institute for Biologically Inspired Engineering . Ingbers Gruppe demonstrierte ihre Methode zur biomagnetischen Kontrolle mit einer Art von Immunsystemzelle, die allergische Reaktionen vermittelt. Zielgerichtete Nanopartikel mit Eisenoxidkernen wurden verwendet, um Antigene in vitro nachzuahmen. Jedes ist an ein Molekül gebunden, das wiederum an einen einzelnen Rezeptor einer Immunzelle binden kann. Wenn Ingber mit diesen Partikeln verbundene Zellen einem schwachen Magnetfeld aussetzt, werden die Nanopartikel magnetisch und ziehen sich zusammen, wodurch die anhaftenden Zellrezeptoren zu Clustern zusammengezogen werden. Dadurch nehmen die Zellen Kalzium auf. (Im Körper würde dies eine Kette von Ereignissen auslösen, die dazu führt, dass die Zellen Histamin freisetzen.) Wenn das Magnetfeld abgeschaltet wird, werden die Partikel nicht mehr voneinander angezogen, die Rezeptoren bewegen sich auseinander und der Kalziumeinstrom stoppt .



Es ist nicht die Chemie; es ist die Nähe, die solche Rezeptoren aktiviert, sagt Ingber.

Der Ansatz könnte weitreichende Auswirkungen haben, da viele wichtige Zellrezeptoren auf ähnliche Weise aktiviert und mit der Methode von Ingber gesteuert werden könnten.

In den letzten Jahren wurde erkannt, dass physikalische Ereignisse, nicht nur chemische Ereignisse, für die Zellfunktion wichtig sind, sagt Shu Chien , Bioingenieur an der University of California, San Diego. Forscher haben die Auswirkungen physikalischer Kräfte auf Zellen untersucht, indem sie sie beispielsweise zwischen Platten zerquetscht oder Sonden über ihre Oberflächen gezogen haben. Aber keine dieser Techniken funktioniert so gut wie die magnetischen Beads von Ingber, die auf einzelne Biomoleküle wirken.

Bis jetzt gab es in dieser Größenordnung nicht viel Kontrolle [über Zellen], sagt Larry Nagahara , Projektmanager in der Alliance for Nanotechnology in Cancer des National Cancer Institute und Physikprofessor an der Arizona State University.

Viele Medikamente, von Anti-Krebs-Antikörpern bis hin zu Hormonen, wirken, indem sie Zellrezeptoren aktivieren. Sobald ein Hormon jedoch im Blut ist, lässt es sich nicht mehr ein- oder ausschalten. Dies zeigt, dass Sie das Signal ein- und ausschalten können, und zwar sofort, sagt Christopher Chen , ein Bioingenieur an der University of Pennsylvania. Das ist zum Beispiel mit einem Antikörper schwer zu bewerkstelligen.

Ingber hat viele Ideen für Geräte, die seine Methode der Mobilfunksteuerung integrieren könnten. Magnetische Herzschrittmacher könnten Zellen anstelle von Elektroden verwenden, um elektrische Impulse an das Herz zu senden. Implantierbare Medikamentenfabriken können viele Zellgruppen enthalten, von denen jede ein anderes Medikament herstellt, wenn sie durch ein magnetisches Signal aktiviert wird. Biomagnetische Kontrolle könnte zu Computern führen, die die Rechenleistung der Zellen nutzen können. Zellen können komplexe Dinge wie die Bildverarbeitung viel besser als Computer, sagt Ingber. Ingber, der das Projekt als Reaktion auf einen Aufruf der Defense Advanced Research Projects Agency nach neuen Zell-Maschine-Schnittstellen begann, räumt ein, dass seine Arbeit noch am Anfang steht. In fünfzig Jahren erwartet er jedoch, dass es Geräte geben wird, die eine nahtlose Schnittstelle zwischen lebenden Zellen und Maschinen bilden.

Andere Forscher stimmen zu. Ingbers biomagnetische Kontrolle könnte einen neuen Mechanismus für Mensch-Maschine-Schnittstellen darstellen, sagt Chien von der UC San Diego. Doch bevor solche Schnittstellen entwickelt werden können, müssen Forscher noch viel mehr über Zellen lernen, sagt der Ingenieur Chen von der University of Pennsylvania.

Sagen wir, wir haben Zellen auf einem Chip und wir wissen, welches Verhalten wir hervorrufen wollen, beispielsweise eine Stammzelle dazu zu bringen, in eine Wunde einzudringen und eine Reparatur einzuleiten, sagt Chen. Wir wissen nicht, welche Signalisierungsereignisse passieren müssen, um die Zelle in den richtigen Zustand zu versetzen, damit sie die gewünschte Aktion ausführt.

Kurzfristig, sagt Chen, könnte Ingbers Methode Biologen helfen, wichtige Erkenntnisse über die Zellsignalübertragung zu gewinnen, etwa wie diese Signale chemisch und physikalisch von der Zelle verarbeitet werden und wie sie zu bestimmten Ergebnissen führen, von der Kalziumaufnahme bis hin zu Veränderungen der Genexpression . Es bietet ein Werkzeug, mit dem wir die Zelle optimieren und sehen können, was passiert, sagt Chen.

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