Dehnen mit Lichtkraft

Wie Laserstrahlen medizinische Diagnostik vorantreiben

  • Photo: fusebulb/ShutterstockPhoto: fusebulb/Shutterstock
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  • Abb. 1: Kraftkalibrationen und mikrorheologische Experimentierprotokolle mit der optischen Pinzette. A) Eine transparente Glaskugel wird durch eine optische Pinzette im ansonsten materiefreien Raum gefangen. B) Dasselbe System wie A) aber nun mit einem Medium, welches viele Partikel enthält. Die Brownsche Bewegung lenkt die gefangene Glaskugel aus, die Kraft der optischen Pinzette zieht sie zur Ausgangslage zurück. Dieses Zusammenspiel sorgt für eine Bewegung der Glaskugel um den Fokusbereich herum (graue Trajektorie). C) Dasselbe System wie in B) aber nun wird der Laserstrahl hin und her bewegt. Aufgrund der Viskoelastizität des Mediums wird das Partikel abgebremst und folgt träge der Bewegung des Laserstrahls (graue Trajektorie).
  • Abb. 2: Die holographisch optische Pinzette schematisch. A) Der schematische Aufbau einer holographisch optischen Pinzette mit räumlichem Lichtmodulator (SLM) eingebaut in ein inverses Mikroskop. Als zusätzliches Verfahren ist es hier möglich Fluoreszenzsignale zu bestimmen. B) Drei Beispiele für Hologramme (obere Zeile) und die entsprechenden Fallenkonfigurationen in der Probenebene (untere Zeile). Wird ein Sägezahnmuster auf dem SLM dargestellt, so wird der Laserstrahl lateral verschoben. Eine fresnellinsenartige Struktur ändert den Fokus in axialer Richtung. Eine Superposition mehrere Hologramme führt zu einer Aufspaltung des Laserstrahls in mehrere Fallen.
  • Abb. 3: Der holographisch optische Dehner im Einsatz. Drei Zellen aus einem lebenden Organismus mit injizierten Glaskugeln werden mittels HOT (weiße Kreise) gehalten und gedehnt (weiße Pfeile). Je nach Zelltyp und –zustand können Zellen unterschiedlich stark gedehnt werden. Man erkennt, dass die untere Zelle sich besser deformieren lässt. Die Skala beträgt 10 µm.
Im Durchschnitt isst jeder Mensch in Deutschland 10 Tiefkühlpizzen pro Jahr [1]. Wer die Pizza und insbesondere den Teig jedoch selber macht, kann dabei interessante Eigenschaften des Pizzateiges beobachten: Knetet man langsam, so lässt sich der Teig leicht beliebig verformen, d.h. der Teig ist zum einen viskos wie etwa Honig oder Wasser. Schlägt man jedoch den Teig, ist er hart und ändert nur wenig seine Form, d. h. er ist auch elastisch wie Gummi. Diese Kombination nennt man viskoelastisch, d.h. das Medium zeigt viskose und elastische Eigenschaften. Unsere Körperzellen verhalten sich ebenfalls viskoelastisch. Speziell bei Krankheiten wie die Arteriosklerose oder Alterung verändert sich die Viskoelastizität der Zellen, doch Ursache und Mechanismen sind noch unklar. Daher wollen MedizinerInnen den Zusammenhang zwischen der Viskoelastizität lebender Zellen und Krankheiten erforschen.
 
Viskoelastizität – Biomechanischer Indikator
 
Aktuelle Forschung [2] zeigt, dass Viskoelastizität biologische Prozesse in Zellen, Geweben und Organismen beeinflusst. Dies gilt aber auch anders herum. Während der Zellteilung, einer Zellveränderung durch Infektion oder dem Zelltod kann sich die Viskoelastizität von Zellen signifikant verändern. Gerade auf Einzelzellebene hoffen WissenschaftlerInnen, Krankheiten noch früher erkennen und besser verstehen zu können, wenn sie mehr über die Änderung der Viskoelastizität von Zellen erfahren. Aber warum ist dies relevant?
 
Eine weltweit vorkommende Krankheit ist die Arteriosklerose, die umgangssprachliche Arterienverkalkung. Dabei lagern sich Fette in den Zellen der Arterienwand ein, was zu einer Verringerung der Elastizität und dadurch auch zu einer erhöhten Belastung des Herzens führt. Da der Tod durch koronare Herzerkrankungen die weltweiten Todesstatistik anführt, besteht hier ein entsprechender Forschungs- und Behandlungsbedarf [3, 4]. Für die biomedizinische Forschung ist der Zusammenhang zwischen zellulären Abläufen und biomechanischen Eigenschaften ein Schlüssel: Mit dem Wissen über viskoelastische Veränderungen inter- und intrazellulärer Prozesse können viele Krankheiten – darunter auch die Alzheimer Krankheit oder Metastasen – besser verstanden und entsprechend Medikamente entwickelt werden.
 
Zur Erforschung der Viskoelastizität müssen Zellen einer kontrollierten Verformung unterzogen und die Stärke der Verformung in Abhängigkeit von der genutzten Kraft gemessen werden.

Dementsprechend wird eine Methode benötigt, die eine beliebige Verformung von Zellen mit definierten Kräften ermöglicht. Dafür werden extrem kleine Kräfte benötigt, rund ein Millionstel der Gewichtskraft einer normalen Schneeflocke. 1970 zeigte Arthur Ashkin, das Licht Kräfte auf Objekte ausüben kann [5]. Daraus entwickelte sich die optische Pinzette, die es ermöglicht Zellen nichtinvasiv und nur mit Licht kontrolliert zu verformen. Doch wie kann Licht Zellen verformen?

 
Die optische Pinzette
 
Ein lange ungelöstes Problem der modernen Physik war die Frage, ob Licht Dinge bewegen kann. Erst 1903 konnte in einem aufwendigen Experiment bewiesen werden: Licht überträgt Impuls auf Materie [6]. So wird ein Spiegel, auf den eine Lampe strahlt, unmerklich vom Licht weggedrückt. Dieser Effekt ist so klein, dass er nur mit aufwendigen Apparaten oder in kosmischen Phänomenen sichtbar wird, so zum Beispiel bei Kometen. Deren Schweif inspirierte bereits Johannes Kepler [7], dass das Licht vermutlich einen Impuls auf die Staubteilchen des Kometen überträgt. Diese Staubteilchen formen den für uns sichtbaren Schweif, welcher stets von der Sonne weg zeigt.
 
Die optische Kraft, welche Objekte in Ausbreitungsrichtung des Lichtes bewegt, wird als Streukraft bezeichnet und wächst mit steigender Lichtintensität. Verwendet man eine nichthomogene Intensitätsverteilung und ein für das verwendete Licht transparentes Objekt, so tritt zusätzlich die sogenannte Gradientenkraft auf. Sie ist zum Punkt höchster Lichtintensität hin gerichtet. Als Gradient wird hier die Veränderung der Intensität bezeichnet. Überwiegt die Gradientenkraft die Streukraft, so werden Objekte zur höchsten Lichtintensität hin gezogen.
 
Im Jahr 1986 entwickelte Arthur Ashkin zusammen mit dem späteren Nobelpreisträger Steven Chu die erste auf diesem Prinzip beruhende dreidimensionale Gradientenlichtfalle [8], die später als “optische Pinzette“ bekannt wurde. Hierfür wird ein stark fokussierter Laserstrahl eingesetzt, der den benötigten Intensitätsgradienten auch in der dritten Dimension besitzt. Die optische Pinzette ermöglicht es nicht nur, mit Hilfe eines fokussierten Laserstrahls transparente Objekte zu fangen, sondern sie auch in drei Raumdimensionen zu bewegen. Die Größe der fangbaren Objekte liegt in der Größenordnung von wenigen Mikrometern und ist daher für Zellen und Bakterien ideal geeignet. Eine optische Pinzette wird typischerweise in kommerzielle Mikroskope eingebaut. Somit können die Objekte gleichzeitig gesteuert und beobachtet werden. Außerdem erfolgt die Steuerung der gefangenen Objekte berührungslos und steril, was für biologische und medizinische Anwendungen einen wesentlichen Vorteil gegenüber herkömmlichen Methoden der Mikromanipulation darstellt. Standardobjekte für die optische Pinzette sind mikrometergroße Glaskugeln, welche auch mit Proteinen beschichtet oder mit Fluoreszenzfarbstoffen markiert werden können.
 
Mit einer Kalibration kann die optische Pinzette für mikrorheologische Messungen eingesetzt werden, um lokal die Viskoelastizität von Zellen zu bestimmen. Es gibt eine Vielzahl von sogenannten Kraftkalibrationen für optische Pinzetten. Die derzeitig gängigste beobachtet die Position des gefangenen Objektes und vergleicht diese mit der Position des Fokus der optischen Pinzette. Wirkt keine zusätzliche Kraft auf das gefangene Objekt, so befindet es sich im Fokuspunkt (Abb. 1A). Eine auf diesen Größenskalen relevante wirkende Kraft ist die Brownsche Molekularbewegung [9]. Sie ist eine scheinbar zufällige aber statistisch gut beschreibbare Bewegung, die eine Kraft auf das gefangene Objekt ausübt und es dadurch auslenkt (Abb. 1B). Der Abstand vom Fokus der optischen Pinzette zum gefangenen Objekt ist proportional zur erzeugten Kraft. Über Positionsmessungen des gefangenen Objektes und entsprechenden Auswertungen der Brownschen Molekularbewegung können die Kraft der optischen Pinzette und viskose Eigenschaften des Umgebungsmediums bestimmt werden. So ermöglichen optische Pinzetten, kleinste Kräfte im Bereich von wenigen piko-Newton innerhalb von Zellen oder an Bakterien zu messen. Diese Kräfte liegen im Bereich derer, die in und um eine Zelle wirken. So erfolgt z. B. der Transport von Nährstoffen in einer Zelle durch molekulare Motoren mit einer Kraft von etwa 5 piko-Newton.
 
Hat das Medium einen relevanten elastischen Anteil, wie es in allen lebenden Organismen der Fall ist, so werden weiterführende Messungen benötigt. Im Allgemeinen wird dafür die optische Pinzette schnell eine kurze Strecke vom gefangenen Objekt wegbewegt und beobachtet, wie das Objekt zur Falle zurückkommt (Abb. 1C). Anhand dieser Antwortfunktion des gefangenen Objektes zum Fangsystem können dynamisch Viskoelastizitäten der Zelle bestimmt werden. Da ein Großteil der biomechanischen Eigenschaften der Zelle vom Zellskelett bestimmt wird, ist dieses von besonderem Interesse [10]. Zur Charakterisierung der Viskoelastizität des Zellskeletts muss dieses dichte Geflecht von Filamenten in der Zelle gestreckt und verformt werden, z. B. indem die Membran an zwei Stellen der Zelle gleichzeitig gezogen wird. Dies ermöglicht der holographisch optische Strecker.
 
Der holographisch optische Strecker
 
Mit der von Ashkin 1986 entwickelten optischen Pinzette kann lediglich eine optische Falle erzeugt werden. Zur Aufspaltung einer Falle in mehrere, unabhängig voneinander steuerbare Fallen existieren viele Methoden. Eine der wichtigsten basiert auf der Modulation des Laserstrahls über holographische Methoden. Hologramme enthalten dreidimensionale Informationen über die Position der Fallen in der Fokusebene. Zur Modulation setzen wir sogenannte räumliche Lichtmodulatoren ein. Solch ein Lichtmodulator ist ein Flüssigkristalldisplay, welches den Laserstrahl schnell auf beliebige Weise modulieren kann. Damit wird die optische Pinzette zur holographischen optischen Pinzette, englisch Holographic Optical Tweezers (HOT). Der schematische Aufbau von HOT in einem kommerziellen Mikroskop ist in Abbildung 2A dargestellt, in Abbildung 2B sind exemplarische Hologramme und die zugehörigen Fallenkonfigurationen in der Probenebene zu sehen. Indem mittels HOT zwei oder mehr Partikel innerhalb einer Zelle auseinander bewegt werden, wird die Zelle gestreckt.
 
Mit dem holographisch optischen Strecker sind wir in der Lage, die Steifigkeit der Zellmembran zu bestimmen. Dazu werden die Glaskugeln innerhalb des Zellplasmas bis zur Zellmembran geführt. In Abbildung 3 sind beispielhafte Zellen dargestellt, die mittels HOT verformt wurden. Hier wird das Zellskelett gestreckt und die dabei benötigte Kraft gemessen. Somit ist es möglich, Zellen spezifisch und lokal an mehreren Stellen zu dehnen, um Unterschiede in der Steifigkeit der Membran zu erkennen.
 
Fazit
 
Die Bestimmung der Viskoelastizität einer Zelle wird mittels optischer Kräfte mit einer holographisch optischen Pinzette ermöglicht. Damit können kleinste Partikel, Zellen oder Bakterien mit Licht steril gefangen und gesteuert werden. Biomechanische Prozesse, wie z. B. die Zellteilung, können so in lebenden Organismen analysiert werden, sodass revolutionäre Erkenntnisse über Krankheitsverläufe und ihre Entstehungen in greifbare Nähe rücken. Die Anwendung von optischen Pinzetten in größeren lebendigen Organismen, die aus tausenden Zellen bestehen, ist herausfordernd und Gegenstand der aktuellen Forschung [11].
 
Autoren
Robert Meißner1 , Katrin Ahlers1, Cornelia Denz1
 
Zugehörigkeit

 

1Westfälische Wilhelms-Universität Münster, Institut für Angewandte Physik, Nichtlineare Photonik, Münster, Deutschland
 
Kontakt   
Prof. Dr. Cornelia Denz
Westfälische Wilhelms-Universität Münster
Institut für Angewandte Physik
Nichtlineare Photonik
Münster, Deutschland
 

 

Referenzen
[1] https://de.statista.com/statistik/daten/studie/155508/umfrage/inlandsabs... Abgefragt 10.4.2017, pro Pizza rund 350g berechnet
[2] Jain, M. et al. (2011) Current Science, 101(11), 1435–1439
[3] Ross, R. (1999) The New England journal of medicine, 340, 115–126, 10.4236/ojim.2012.23025
[4] Murray, C. J. L. et al. (2015) The Lancet, 385(9963), 117-71, 10.1016/S0140-6736(15)61340-X
[5] Ashkin, A. et al. (1970) Physical Review Letters, 4, 24-27, 10.1103/2FPhysRevLett.24.156
[6] Nichols, E. F. and Hull, G. F. (1903). The Astrophysical Journal, 17(5), 10.1086/141035
[7] Kepler, J. (1619) Harmonices Mundi
[8] Ashkin, A. et al. (1986) Optics Letters 11(5), 288, 10.1103/PhysRevLett.57.314
[9] Berg-Sørensen, K., and Flyvbjerg, H. (2004). Review of Scientific Instruments 75(3), 594, 10.1063/1.2204589
[10] Barroso, A. et al. (2013) Small, 9(6), 885–93, 10.1002/smll.201201851
[11] Sugden, W. et al. (2017) Nature Cell Biology accepted for publication

 

 
 

 

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