Laserpinzetten-gesteuerte Surfactant Freisetzung

Forschungsprojekt P 14263Laserpinzetten-gesteuerte Surfactant FreisetzungMonika RITSCH-MARTE06.03.2000 Die Funktion einer gesunden Lunge hängt wesentlich von der Beibehaltung einer niedrigen Oberflächenspannung ab, da sonst die großflächige Lunge kollabieren würde. Dies wird durch Benetzen der Lungenoberfläche mit einem Lungensekret erreicht (plumonares Surfactant), das von den Lungenzellen selbst freigesetzt wird. In unseren Experimenten untersuchen wir den Mechanismus dieser Surfactant Freisetzung und gehen insbesondere der Frage nach, ob die Freisetzung durch mechaniche Zugkräfte angeregt wird, wie sie vermutlich während des Einatmens auftreten. Hierzu werden einzelne lebende Zellen unter einem Fluoreszenzmikroskop betrachtet, während gleichzeitig kontrollierter mechanischer Zug mit Hilfe ener sogenannten doppelten Laserpinzette ausgeübt wird. Laserpinzetten sind neuartige Werkzeuge der Zellbiologie, mit denen Zellen und selbst Zelorganellen im sub-m m Größenbereich im Fokus eines Laserstrahls gehalten werden können - ohne daß Beschädigungen auftreten. Mit zwei dieser Laserpinzetten läßt sich eine Zelle an zwei Punkten greifen und kontrolliert drehen. Spezielle Färbe- und Fluoreszenzregungstechniken erlauben es dann, die Freisetzung von Surfactant als Folge einer geeichten Zugkraft unter de Mikroskop direkt zu beobachten. Wir gehen davon aus, daß die Kombination von Fluoreszenzmikroskopie und optischer Pinzette wichtige Erkenntnisse über die Wirkung mechanischer Kräfte und die Funktionen lebender Zellen liefern wird, die auf andere Weise kaum zu gewinnen sind.

Laser-Pinzetten ermöglichen die Manipulation von dielektrischen Teilchen in der Größenordnung von Mikrometern. insbesondere kann auch biologisches Material zerstörungsfrei manipuliert werden Im Rahmen dieses Projektes wurde diese Technik erstmals zur gezielten Untersuchung von Zellen des Lungenepitheis (AT II Zellen) verwendet. Diese Zellen sind Teil der Alveolen und sekretieren eine Substanz, Surfactant genannt, welche vor der Freisetzung in speziellen Vesikeln gespeichert ist. im Alveolarraum bewirkt Surfactant eine Erniedrigung der Oberflächenspannung an der Luft-Flüssigkeitsgrenze und ermöglicht so das Atmen. Mangel oder Dysfunktion von Surfactant führen folglich zu schwerwiegenden respiratorischen Erkrankungen. Die im Rahmen dieses Projektes entwickelte Technik ermöglicht eine quantitative Untersuchung der Sekretionsmechanismen von AT II Zeilen. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse liefern einen Beitrag zum Verständnis der normalen Surfactant-Regulation und können darüber hinaus auch eine Basis bilden für zukünftige Studien über Krankheitsbildern (wie z.B. dem "respiratory distress syndrome") oder für die Optimierung von künstlichen Beatmungstechniken. Mit Hilfe von optischen Manipulatoren kann man Kräfte im pico-Newton Bereich ausüben. Umgekehrt können auch Kräfte in dieser Größenordnung gemessen werden. Um das drei-dimensionale Kraftprofil einer Laser-Pinzette quantifizieren zu können, haben wir im Rahmen des Projekts zusätzlich eine einfach anzuwendende 3D- Kraftkaiibrationsmethode entwickelt. Die Methode basiert dabei auf der Auswertung der Dynamik der Teilchen während ihres Einfangens. Ein möglicher Nachteil von Laser-Pinzetten ist ihr eingeschränkter Arbeitsbereich, der durch das Gesichtsfeld des Mikroskops gegeben ist. Weiters ist auch der Umstand, dass nur ein Teilchen gefangen werden kann, häufig ein limitierender Faktor. Um ein vielseitiges Werkzeug zur Manipulation mehrerer Teilchen gleichzeitig zu schaffen, haben wir die Laser-Pinzette in geeigneter Weise mit einer relativ zum Objektiv bewegbaren faser-optischen Falle kombiniert. Dieser optische "Micro-Abakus" ermöglicht neben einer gezielten Manipulation von einzelnen Partikeln auch kollektive Manipulation von mehreren. interessanterweise hängt das Verhalten von mehreren, gleichzeitig gefangenen Teilchen, deren Größe in etwa der Laserwellenlänge entspricht, in einer Faserfalle stark von der Teilchengröße ab. Diese Selbstorganisation von Partikeln in einer optischen Doppelfalle wurden systematisch untersucht und mit Hilfe eines theoretischen Modells erklärt.