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Optische Falle für Kraftmessungen
an lebenden Zellen
Mechanische Kräfte sind essentiell für alle biologischen Zellen.
Sie spielen eine wichtige Rolle in verschiedensten Prozessen: u.a.
bei Zellteilung, Differenzierung, Entzündungen und Wundheilung.
Neue Studien zeigen, dass sich sogar die Differenzierung adulter
mesenchymaler Stammzellen durch die mechanischen Eigenschaften
des Substrats steuern läßt, und dass die Wirksamkeit bestimmter
biochemischer Faktoren signifikant von den physikalischen
Eigenschaften der Mikroumgebung abhängt. Um einen besseren
Einblick in das komplexe Zusammenspiel zwischen Biochemie und
Mechanik zu bekommen ist es von ausserordentlicher Wichtigkeit,
die wirkenden Kräfte und auch die Reaktion von Zellen auf
mechanische und biochemische Stimuli zu messen.
Die optische Falle ermöglicht eine hoch präzise Bestimmung dieser
kleinen Kräfte (im pN und nN Bereich) an lebenden Zellen. Diese
Kräfte erscheinen uns sehr klein (entsprechen der Gewichtskraft
im Breich von ng bis μg) und sind auch dementsprechend schwierig
zu messen, insbesondere da auch die Zelle sehr klein ist (typischer
Durchmesser von ca. 10 μm). Um die Kräfte zu bestimmen, werden
kleine Kugeln (∅ ~ μm) mit extrazellulären Matrixproteinen
beschichtet um der Zelle Adhäsionspunkte zu geben. Diese Kugeln
können im Fokus eines Laserstrahls festgehalten werden, und ihre
Position und auch die angreifende Kraft kann mittels Interferometrie
an Quadrantphotodioden hoch präzise gemessen werden. Durch
die Laserintensität kann das Fallenpotential der Kugeln gezielt
eingestellt werden, was der Zelle eine unterschiedlich elastische
Umgebung simuliert.
Der Vorteil der integrierten optischen Falle im Mikroskop ist, dass
man gleichzeitig zur Kraftmessung auch die Zelle im Mikroskop
beobachten kann. Die integrierte optische Falle ist somit ideal
geeignet um die komplizierten mechanischen Wechselwirkungen
zwischen Zelle und Umgebung an lebenden Systemen zu
untersuchen.
Drittes Physikalisches Institut – Biophysik
BIOTECHNICA
5.–7. Oktober 2010
Halle/Hall 9, Stand/Booth D16
Optical Trap for Force Measurements
on Living Cells
Mechanical forces are essential for all biological cells as they play
an important role in various processes: e.g. cell division, differentiation,
inflammation and wound healing. The optical trap allows
for a precise measurement of these minute forces (pN - nN) in
living cells using a bead trapped in the focus of a laser beam.
Georg August Universität
Drittes Physikalisches Institut – Biophysik
Ansprechpartner: Prof. Dr. Christoph F. Schmidt
Friedrich-Hund-Platz 1
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