Prisma

Wie viel wiegt eine Zelle?

Picobalance misst mit maximal 0,1%iger Abweichung

cae | Eine lebende Gewebezelle von Säugetieren wiegt zwei bis drei Nanogramm. Die Masse schwankt laufend um einige Prozent. Mit einer neuartigen Waage lässt sie sich exakt in Echtzeit messen.
Foto: Vshyukova – stock.adobe.com
Zwei bis drei Nanogramm wiegt eine Zelle. Hier: Neuroblastomzellen unter einem Fluoreszenzmikroskop. Die Zellkerne sind rot markiert.

Bisher ließ sich zwar die Größe von lebenden Säugetierzellen exakt messen, aber ihre Masse war nur annähernd genau feststellbar, wenn sie aus Zellkulturen stammten; dabei herrschten keine physiologischen Bedingungen. Nun stellte die Forschungsgruppe Biophysik der ETH Zürich unter der Leitung von Daniel J. Müller mit Kollegen in Basel und London eine neuartige Zellwaage vor, die es erlaubt, die Masse einzelner Zellen mit einer Abweichung von nur 0,1% zu messen. Da eine Zelle nur wenige Nanogramm wiegt, bedeutet dies, dass die Waage die Masse bis zum Picogramm angibt; sie heißt deshalb „picobalance“. Zudem misst sie in einem Takt von 10 Millisekunden, sodass sich Massenänderungen, die mit dem Metabolismus, der Genexpression und der Proliferation der Zelle zusammenhängen, in einem Kurvendiagramm abbilden lassen.

Die Zellwaage besitzt als Wägearm ein hauchdünnes, mit Kollagen oder Fibro­nectin beschichtetes Siliciumplättchen, das wie ein Federbalken schwingen kann und als optischer „Mikro­resonator“ fungiert. Mithilfe eines blauen, pulsierenden Lasers wird es zum Schwingen angeregt, worauf ein zweiter, sehr schwacher infraroter Laser die Frequenz misst. Aus der Differenz der Frequenzen des nackten bzw. mit einer Zelle beladenen Wägearms lässt sich die Masse der Zelle errechnen.

Mithilfe der Zellwaage wurden bereits neue Erkenntnisse gewonnen: Die Masse einer lebenden Zelle schwankt im Rhythmus von wenigen Sekunden um ein bis vier Prozent. Ursachen dafür sind vor allem die ATP-Synthese und die Aufnahme bzw. Abgabe von Wasser. Die Infektion mit Vaccinia­viren stoppte zwar die Proliferation, aber nicht den beschriebenen Rhythmus. Die Autoren prophezeien, dass viele andere Eingriffe in einzelne Zellen sich auf deren Masse auswirken, sodass die exakte Wägetechnik für die Krebs-, Stammzell- und Arzneistoffforschung fruchtbar werden könnte.

Außer Lebenswissenschaftlern inte­ressieren sich auch Materialwissenschaftler für die Zellwaage. Denn mit ihrer Hilfe können sie kleinste Veränderungen an der Oberfläche von Nanopartikeln, die sie zu deren Funktionalisierung vornehmen, messen.

Die Zellwaage ist patentrechtlich geschützt. Als Lizenznehmerin entwickelt die Schweizer Firma Nanosurf AG sie für die Serienproduktion weiter und will sie unter dem Namen „Cytomass Monitor“ vermarkten. Deren Funktionsweise demonstriert die Firma mit einem Video auf ihrer Website. |

Quellen

Martínez-Martín D et al. Inertial picobalance reveals fast mass fluctuations of mammalian cells. Nature 2017;550:500-505

www.nanosurf.com/en/products/cytomass

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