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Special: Zellbiologie / Zellanalytik
Verfahren bezeichnet man auch als Einzelzell-Kraftspektroskopie
(Single-Cell Force
Spectroscopy) oder kurz SCFS. Und in der
AFM-Probenkammer kann man lebende
Zellen in flüssigem Medium untersuchen.
„Selbst zwischen genetisch identischen
Zellen gibt es überraschenderweise starke
Unterschiede bei den Adhäsionskräften“,
berichtet Franz. Details dieser Art entgehen
dem Forscher, wenn er ganze Zellpopulationen
misst und somit bloß Mittelwerte
Foto: AG Franz
Anschließend muss man die am Cantilever
fixierte Zelle zu einer Zelle navigieren,
die sich ans Substrat angeheftet hat. Ein
Vorteil: Mit der Zelle am Cantilever kann
man nacheinander mehrere Zellen auf
dem Substrat messen. Doch Franz mahnt,
dass man natürlich in der statistischen
Auswertung berücksichtigen müsse, dass
bei diesen Messreihen die eine Zelle immer
identisch ist. Man kommt also nicht
umhin, zwischendrin auch die Zelle am
sogenannte ‚Blebs‘. „Ich kenne auch kein
schönes deutsches Wort dafür“, gibt Franz
zu, „man könnte von Membranausstülpungen
sprechen.“ Ein Bleb ist eine kleine
Blase, die unter der Zellmembran entlangwandert.
Innerhalb einiger Sekunden
kann er die Zelle umrunden. Die genaue
Funktion dieser Strukturen ist noch nicht
geklärt, doch könnten sie eine Rolle beim
Wanderverhalten während der Embryonalentwicklung
spielen. Möglicherweise
funktionieren Blebs dabei wie kleine Füßchen,
die die Zelle zwischen anderen Zellen
hindurchschieben. „Außerdem gibt es
dort, wo die Blebs sind, kein Zytoskelett“,
ergänzt Franz. Blebs machen Zellen also
weicher und leichter verformbar. Und eine
elastische Zelle wiederum kann sich auch
einfacher durch das Gewebe bewegen –
möglicherwiese spielen die Blebs daher
nicht nur bei Zellwanderungen während
der Embryonalentwicklung, sondern auch
bei der Metastasenbildung eine Rolle.
„Zellenkleber und -dehner“: Clemens Franz
erhält. Franz ist sicher, dass solche Variationen
zwischen den Zellen bislang noch
unterschätzt werden. Daher kann man
sich nicht auf die Ergebnisse einzelner
Messungen verlassen, denn aufgrund der
großen Unterschiede ist die Adhäsionskraft
einer individuellen Zelle möglicherweise
nicht repräsentativ für ein ganzes Gewebe.
„Wenn wir aber zwanzig Zellpaare vermessen,
dann kann man schon eine Menge
damit anfangen“, nennt Franz einen Richtwert
für die Anforderungen an die Statistik.
Der Vorteil: arbeitet man mit frühen Stadien
von Frosch- oder Fischembryonen, so
hat man ohnehin nur sehr wenige Zellen
zur Verfügung. Ein Flipping Assay wäre
im 16-Zellstadium gar nicht durchführbar.
Wohl aber die SCFS.
Kniffelige Handarbeit
Doch die Adhäsionsmessung mit dem
AFM ist eine kniffelige Angelegenheit. Mit
dem Cantilever muss man sich zunächst
von Hand eine Zelle aus der Suspension
herausangeln. Dabei hilft der Blick durch
ein inverses Lichtmikroskop. „Sie schauen
von unten auf die Probe“, erläutert Franz.
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Cantilever auszuwechseln. Der muss zunächst
aufwändig gereinigt werden, also
hat man während der Experimente weitere
Cantilever zum schnellen Auswechseln
vorbereitet. „Den müssen Sie dann noch
kalibrieren“, so Franz, „das dauert auch
wieder einige Minuten“.
Die Rolle der Blebs
Unterm Strich schaffe man an einem
Tag rund zehn Messungen, berichtet Franz
aus seinem Laboralltag. Zu den Herstellern
der Geräte hat die Arbeitsgruppe anscheinend
einen guten Draht, denn dort geht
man immer wieder auf die individuellen
Kundenwünsche ein. Eine Neuerung am
AFM ist ein Spiegel, der den seitlichen Blick
in die Probenkammer mit dem Lichtmikroskop
ermöglicht. „Wenn wir nämlich nur
von unten auf die Probe schauen, können
wir im Lichtmikroskop gar nicht sehen, was
an der eigentlichen Kontaktfläche zwischen
den Zellen passiert“, begründet Franz den
Sonderwunsch seiner Arbeitsgruppe. Im
März dieses Jahres hatte sein Team hierzu
dann ein Paper vorgestellt (Integr. Biol.
(Camb.) 7: 356-63). Dabei ging es um
Elastizität ist auch ein Thema
Im erwähnten Paper hatte Franz‘ Team
Neuralleistenzellen aus Xenopus untersucht
und die Zellhaftung gemessen. Wandernde
Zellen sollten auch weniger stark aneinander
haften, die Zelladhäsionskräfte also
entsprechend geringer ausfallen. Doch
korreliert die Stärke der Adhäsion auch
mit der Lage der Blebs? Hier war nun der
seitliche Blick auf die Kontaktfläche zwischen
beiden Zellen notwendig, während
im AFM die Kräfte gemessen wurden.
Franz: „Wenn ein Bleb durch die Kontaktzone
wandert, dann sinkt die Zelladhäsion
rapide ab.“ Möglicherweise, so seine Hypothese,
nutzen Zellen die Blebs, um die
Stärke der Adhäsion zu regulieren und eine
zu starke Haftung zu unterbinden. Franz
hat auch eine Vermutung, wie Blebs die
Zellkontakte schwächen: „Cadherine sind
alleine nicht besonders stark in der Membran
verankert; sie brauchen den Kontakt
zu Zytoskelett-Elementen.“ Doch genau die
werden in den Blebs ja beiseite gedrängt.
Möglicherweise werden Cadherine, die
Kontakt zu Nachbarzellen halten, dann
einfach aus der Membran herausgezogen.
Das ließe sich in künftigen Experimenten
über Fluoreszenz-Label testen, indem man
Cadherine der einen Zelle rot und die der
anderen grün markiert. „Möglicherweise
sehen wir dann, dass grüne oder rote
Punkte von der einen Zelle auf die andere
übergehen.“
Franz setzt die AFM nicht nur ein, um
Zell-Zell-Kontakte zu messen, sondern
auch, um die Elastizität von Zellen zu bestimmen.
Am Cantilever wird dann eine
11/2015 Laborjournal