Kraftmessungen an einzelnen Zellen

In den vergangenen Jahren fanden Wissenschaftler heraus, dass Kräfte und mechanische Eigenschaften für biologische Zellen offenbar genauso wichtig sind wie biochemische Faktoren. Biophysiker der Universität Göttingen haben nun eine Methode weiterentwickelt, mit der die mechanischen Eigenschaften einer einzelnen Zelle sowie die von ihr erzeugten Kräfte höchst präzise gemessen werden können. Ihre Ergebnisse stellte das Team in der Zeitschrift „Philosophical Transactions of the Royal Society B“ vor.

Kreis zwischen zwei kleineren Kreisen.
Lebende Zelle zwischen zwei Mikrokugeln

In ihren Experimenten befestigten die Forscher um Florian Schlosser eine lebende Zelle zwischen zwei mikrometergroßen Kugeln. Dazu nutzen sie zwei optische Pinzetten: Jede Kugel befindet sich im Zentrum eines stark fokussierten Lichtstrahls und sobald sich eine von ihnen aus dem Fokus hinausbewegt, erfährt sie eine rückstellende Kraft. Auf diese Weise ließen sich die Mikrokugeln gezielt steuern und so auch Kräfte auf die Zelle ausüben. Gleichzeitig bewegten sich die Kugeln, wenn die eingefangene Zelle eine Kraft generierte, was die Forscher in ihrem Versuch ebenfalls erfassten. „Hiermit ist es nun möglich, einzelne Zellen in einer idealisierten 3D-Geometrie zu vermessen, ohne die sonst in der Zellkultur und der Mikroskopie übliche Adhäsion und Zellausbreitung auf zweidimensionalen Oberflächen wie Glas oder Plastik“, erläutert Koautor Florian Rehfeld.

Mit ihrem Messaufbau waren die Wissenschaftler in der Lage, die Kräfte der Zelle in der Größenordnung von Billionstel Newton zu bestimmen – und so die grundlegenden Mechanismen der zellulären Kraftgeneration sowie den Einfluss von mechanischen Eigenschaften auf das Zellverhalten zu erforschen. „Mit der nun veröffentlichten Methode und verschiedenen biochemischen Wirkstoffen konnten wir zeigen, dass sowohl die mechanischen Eigenschaften als auch die erzeugten Kräfte hauptsächlich durch Myosin II, eine Klasse von molekularen Motoren, bestimmt werden“, so Rehfeldt. Myosine sind Proteine, die zum Beispiel in der Skelettmuskulatur vorkommen und essentiell für die Muskelkontraktion sind.