Testmodelle für die Laser- und Nanomedizin

Ein Schwerpunkt der zellbiologischen Arbeiten betrifft die Wechselwirkung von Zellen mit Licht. Hierbei werden vorwiegend photochemische Prozesse, wie beispielsweise die Wirkungsweise von Photosensibilisatoren für die photodynamische Therapie (PDT) (1) (2), sowie photomechanische Prozesse, wie beispielsweise die Manipulation von Zellen durch gepulste Laser, erforscht. Des Weiteren befasst sich die AG Biologie des ILM mit der Etablierung und Validierung von Testsystemen für verschiedene Fragestellungen, die im Rahmen öffentlich geförderter Projekte oder als Forschungsaufträge der Industrie bearbeitet werden(3). Von besonderem Interesse ist hier die Bereitstellung von Zellmodellen für die Evaluierung von Wirkstoffen und von Nanoträgern für die Präzisionstherapie. Aktuelle Arbeitsschwerpunkte adressieren die Optimierung von Nanoträgern für Gewebeersatz (4) und Krebsmedizin (5). Durch eine Zusammenarbeit mit dem Deutschen Krebsforschungszentrum besteht Zugriff auf gentechnisch manipulierte Tumorzellen mit schaltbarer Expression von Zelloberflächenproteinen, welche als potentielle Rezeptoren oberflächen-funktionalisierter Nanoträger fungieren können (6) (7). Im Institut besteht Zugriff auf moderne Bildgebungsmethoden (bspw. Konfokale Laserscanning-Mikroskopie, konfokale Raman-Mikroskopie, Streulichtmikroskopie) sowie die Möglichkeit der Entwicklung maßgeschneiderter Analysekonzepte im Rahmen interdisziplinärer Förderprojekte.

Für Hochdurchsatzanalysen steht ein Microplate-Reader für die Messung von Absorption, Fluoreszenz und Lumineszenz sowie der Möglichkeit zur Reagenzien-Injektion zur Verfügung.  Der Reader kann in kontinuierlichen Meßverfahren und Endpunktmessungen betrieben werden und wird gegenwärtig v.a. für biochemische (z.B. Enzymkinetiken) und zellbiologische Assays (3) verwendet.

Die Durchflusszytometrie ist ein Verfahren zur schnellen und quantitativen optischen Analytik von Zellsuspensionen z.B. hinsichtlich ihrer Vitalität, der Expression ausgewählter Proteine, oder der Aufnahme von Photosensibilisatoren. Das ILM verfügt über ein zeitgemäß ausgestattetes Zytometer mit 3 Lasern und 8 optischen Parametern sowie fundierte Expertise und Protokolle zur umfassenden Charakterisierung von Zellpopulationen aus Zellkulturen (2D, 3D) und CAM-Transplantaten.

Die Chorioallantoismembran (CAM) des befruchteten Hühnereis bietet eine extraembryonale, vaskularisierte und immundefiziente Testumgebung für die Charakterisierung von Transplantaten hinsichtlich ihrer Fähigkeit zur Initiierung invasiven Wachstums oder der Neubildung von Blutgefäßen. Am ILM besteht langjährige Expertise in der Nutzung der CAM für Fragestellungen im Rahmen der PDT, der Evaluierung von Wirkstoffträgern und Wirkstoffen, sowie der funktionellen Genomik (8) (7) (5). Die Aufarbeitung und Analyse der Transplantate erfolgt mit histologischen / (immun)histochemischen Methoden, ex vivo Mikroskopie oder Durchflusszytometrie.

Die Histologie dient der Analytik von Gewebeproben, z.B. zur Bewertung von Veränderungen durch Laserstrahlung, oder zur Charakterisierung von Transplantaten im CAM Tierversuchs-Ersatzmodell. Das Spektrum der etablierten Techniken umfasst unterschiedliche Färbungen (H&E, Azan etc.) in der Weichgewebshistologie (Paraffin- und Gefrierschnitte) und Hartgewebshistologie (Dünnschliffe).

Immunfärbungen für die Charakterisierung von Gewebeschnitten und Zellkulturen in situ werden z.B. zur semiquantitativen Analytik von Gewebeproben aus dem CAM-Tierversuchsersatzmodell, oder zur Mehrfarben-Fluoreszenzmikroskopie im Rahmen zellbiologischer Fragestellungen angewandt.

Am ILM stehen Ausstattung und Expertise für die Anwendung molekularbiologischer Standardtechniken zur Charakterisierung von Zellkulturen und Geweben auf DNA-, RNA- und Proteinebene zur Verfügung. Des Weiteren sind gängige Klonierungstechniken und Verfahren für die Herstellung rekombinanter Säugerzelllinien etabliert (6).

Für mikrobiologische Untersuchungen existieren Protokolle zur Kultivierung unterschiedlicher Modellorganismen. Neben gram-negativen Escherichia coli (K12), die auch für die Gentechnik verwendet werden, sind dies gram-positive Staphylococcus warneri sowie die ebenfalls gram-positiven Sporenbildner Bacillus subtilits.