Nanofaser dient als empfindliches Stethoskop

Mit einem Stethoskop können Ärzte zuverlässig den Herzschlag von Patienten hören. Nun gelang es einem Forscherteam, sogar den von einzelnen Herzmuskelzellen hervorgerufenen Schallwellen zu lauschen. Zu diesem Zweck entwickelten die Wissenschaftler eine spezielle Nanofaser, die selbst kleinste Druckänderungen erfassen kann – durch eine veränderte Streuung von Laserlicht. Dieses optische Nanostethoskop eröffne völlig neue Möglichkeiten, so die Gruppe in der Fachzeitschrift „Nature Photonics“, um kleinste biomechanische Zellprozesse zu analysieren. Künftig ließe sich auf diese Weise vielleicht ein Virusbefall oder der Wandel einer gesunden zu einer Krebszelle feststellen.

Künstlerische Darstellung: blauer Hintergrund, in dem Bakterien schwimmen; darin quaderförmige Röhren mit hellen Lichtpunkten darin
Prinzip des optomechanischen Nanostethoskops

„Mit dieser Methode können wir nicht nur kleinste Kräfte und Schallwellen nachweisen, sondern sogar quantifizieren“, sagt Donald Sirbuly von der University of California in San Diego. Gemeinsam mit seinen Kollegen fertigte Sirbuly eine nur wenige millionstel Millimeter dünne Nanofaser aus Zinnoxid. Diese Faser umhüllten die Forscher mit einer hauchdünnen Schicht aus dem flexiblen Kunststoff Polyethylenglykol und setzten dann einzelne Nanoteilchen aus Gold auf diesen Kunststoffmantel. Anschließend schickten sie ultraviolettes Laserlicht durch die Nanofaser, woraufhin die Lichtwellen am Ende der Faser von den Goldpartikeln gestreut wurden. Dieses Streulicht fing das Team mit empfindlichen Lichtsensoren auf. Je nach der Position der Goldpartikel, änderte sich die Lichtstreuung.

In ihren Experimenten tauchten Sirbuly und seine Kollegen die Nanofaser in eine Nährstofflösung mit lebenden Herzmuskelzellen von Mäusen. Die rhythmische Bewegung der Zellen erzeugte kleine Druckschwankungen im flüssigen Medium. Diese Schallwellen drückten die Goldpartikel etwas in die flexible Kunststoffschicht hinein und verursachten dadurch eine messbare Veränderung der Lichtstreuung. Über die Analyse des gestreuten Lichts konnten die Forscher auf die Intensität der akustischen Wellen zurückschließen. Die Nachweisgrenze lag bei einem erstaunlich geringen Wert von minus 30 Dezibel, weit unterhalb der Hörschwelle aller Säugetiere.

In weiteren Versuchen tauchten die Forscher ihr Nanostethoskop in ein Nährmedium mit Bakterien der Art Heliobacter pylori. Bei ihrer Bewegung übten die Mikroorganismen kleinste Drücke aus, die ebenfalls die Position der Goldpartikel veränderten und somit eine veränderte Lichtstreuung verursachten. Die Nachweisgrenze lag in diesen Versuchen bei etwa 160 Femtonewton. Damit reagiert das Nanostethoskop zehnmal empfindlicher als beispielsweise ein Rasterkraftmikroskop.

Das Team um Sirbuly ist davon überzeugt, dass dieses optomechanische Verfahren völlig neue Einblicke in biomechanische Prozesse einzelner Zellen eröffnen wird. Je nach Messbereich ließen sich weichere als auch härtere Kunststoffhüllen für die Nanofaser nutzen. Er hält es sogar prinzipiell für möglich, mit diesem Nanostethoskop akute Veränderungen von Zellen abhören zu können.