Vibrierende Zellen offenbaren ihre Leiden

In Verbindung mit Physik, Ingenieurwissenschaften und Mikrobiologie haben Forscher am MIT die Frequenz gemessen, mit der rote Blutkörperchen schwingen, und haben gezeigt, dass diese Frequenzen die Gesundheit der Zellen widerspiegeln. Die Forschung könnte zu einer besseren medizinischen Diagnostik führen.

Lebendige Zellen: Michael Feld und Subra Suresh vom MIT konnten mit Hilfe einer in Felds Labor entwickelten Technik die Schwingungen der Membran einer mit dem Malariaparasiten infizierten Blutzelle abbilden (oben). Felds Technik lieferte auch Bilder des Inneren der Zellen (unten), sodass die Forscher die Schwingungsfrequenzen der Zellen mit dem Fortschreiten der Krankheit korrelieren konnten.

Die Arbeit wurde in Zusammenarbeit zwischen MIT-Physikern Michael Feld und Subra Suresh , Dekan der MIT School of Engineering und Materialwissenschaftler. Feld leitet das Laser Biomedical Research Center des MIT, das ein bildgebendes Verfahren entwickelt hat, mit dem dreidimensionale Bilder lebender Zellen erstellt werden können. Sureshs Labor hat Experimente durchgeführt, um Dinge wie die Steifheit von roten Blutkörperchen zu messen, die mit Malariaparasiten infiziert sind.



In einem roten Blutkörperchen findet elektrische, chemische und biologische Aktivität statt, die an seiner Oberfläche nanoskalige Schwingungen verursacht. Um die Schwingungsfrequenzen der Zellen zu messen, kombinierten die Forscher Felds bildgebende Technik mit Beugungsphasenmikroskopie, bei der ein Laserstrahl, der durch eine Zelle geht, auf einen Referenzstrahl trifft, der dies nicht tut, und ein unverwechselbares Interferenzmuster erzeugt. Um den Zusammenhang zwischen der Schwingung der Zellen und ihrer Gesundheit herzustellen, erstellten die Forscher mit Felds Technik dreidimensionale Bilder eines Malariaparasiten in einem roten Blutkörperchen. Sie maßen auch den Hämoglobinspiegel in den Zellen während verschiedener Stadien einer Malariainfektion.

Das hat es noch nie gegeben, sagt Ares Rosakis , Professor für Luftfahrt und Maschinenbau am California Institute of Technology. Die Verkleinerung optischer Techniken auf [den Nanobereich] ist äußerst schwierig. (Rosakis war nicht an der Arbeit beteiligt, einer seiner ehemaligen Doktoranden jedoch.)

Rosakis sieht zwei Anwendungsmöglichkeiten für die neuen Techniken. Eine besteht darin, Computermodelle von Zellen zu verbessern, weil die Messungen von Feld und Suresh so viel genauer sind als frühere Messungen. Das andere ist eine bessere Diagnose. Die US-amerikanischen Centers for Disease Control (CDC) stellen fest, dass der derzeit wichtigste Test auf Malaria wirkt nicht bei akuter Malaria : Es kann die Krankheit erst im Nachhinein erkennen. Schließlich könnte eine Technik wie die von Feld und Suresh eine Möglichkeit bieten, Malaria im Verlauf zu erkennen. Stellen Sie sich die Zukunft eines Arztes oder sogar eines ungeschulten Technikers vor, der [die Technologie] in ein kommerzielles Mikroskop eingebaut hat und … sofort den Zustand der Krankheit abliest, sagt Rosakis.

Suresh merkt an, dass Maschinenbauingenieure selten an Zellbiologie arbeiteten und noch seltener mit Physikern. Aber er und Feld müssen das Gebäude nicht verlassen, um zusammenzuarbeiten, sagt er.

Die beiden begannen vor etwa zweieinhalb Jahren zusammenzuarbeiten, nachdem Feld Suresh eingeladen hatte, einen Vortrag über die Arbeit seines Labors an Malariazellen zu halten. Nach Sureshs Gespräch beschlossen die beiden, Kräfte – und Instrumente – zu kombinieren, um die Geschwindigkeit zu messen, mit der gesunde und kranke rote Blutkörperchen vibrieren.

Sie wählten Malariazellen aufgrund von Sureshs Erfahrung in der Arbeit mit ihnen, aber das bedeutete, dass Felds Labor umgerüstet werden musste, um die Biosicherheitsstandards der CDC der Stufe 2 zu erfüllen. Dieses Projekt wurde von einer der Forscherinnen in Sureshs Team, Monica Diez-Silva, der einzigen Mikrobiologin in beiden Gruppen, geleitet.

Es dauert 48 Stunden, bis ein Malaria-Eindringling seinen Lebenszyklus durchläuft, sich entwickelt, reproduziert und aus der Zelle ausgestoßen wird. Die Forscher mussten daher infizierte Zellen aus jedem Stadium dieses 48-stündigen Prozesses bei Temperaturen auswerten, die das Fieber und die Abkühlung simulierten, die der menschliche Körper während einer Malariainfektion erfährt.

Vibrierende Zellmembranen bewegen sich jeweils nur im Nanometerbereich, und diese Bewegungen finden in Mikrosekunden – Millionstelsekunden statt. Um die Daten des Laserstrahls zu erfassen, der die Zellen durchquert, verwendeten die Forscher die Bildgebungstechnik von Feld, bei der mehrere Bilder zu einem Verbund zusammengefügt werden. Die Technik ist eine Art Tomographie, das Prinzip, das Computertomographie (CT)-Scans zugrunde liegt.

Rosakis sagt, dass die Bildgebung mit Interferenzmustern eine besondere Herausforderung darstellt, wenn man rote Blutkörperchen betrachtet, die donutförmig und flüssig sind und ihre Form ständig in alle Richtungen ändern.

Die ersten Experimente von Suresh und Feld dauerten fast acht Monate, darunter Wochen um Wochen, um die 3D-Bilder der Parasiten in den Zellen zusammenzusetzen. Dann beschlossen sie, den Hämoglobinspiegel zu untersuchen, was ebenfalls Monate dauerte. Sie haben fast sechs Monate damit verbracht, die Ergebnisse zu schreiben, die im Proceedings of the National Academy of Sciences in dieser Woche.

Suresh sagt, dass die Forschung auf jede andere Art von lebenden Zellen angewendet werden sollte. Er und Feld wollen rote Blutkörperchen mit Sichelzellenanämie und möglicherweise Krebszellen untersuchen, obwohl es schwieriger sein wird, Zellen mit einem Zellkern zu untersuchen.

Sureshs und Felds Techniken können noch nicht zur Diagnose von Krankheiten verwendet werden, aber Suresh sagt, dass ihre Arbeit die wissenschaftliche Grundlage dafür bildet, dass man Krankheiten auf zellulärer Ebene messen kann.

verbergen