Je nach Forschungsgebiet ermöglicht der erfolgreiche Transfer von Substanzen (z. B. DNA / Gene, Proteine, Verbindungen, Farbstoffe) den Wissenschaftlern, Reaktionen in Zellen zu beobachten oder Produkte innerhalb von Zellen zu produzieren. Daher sind Methoden und Technologien für den Transfer von Substanzen für die Grundlagenforschung und die angewandte Forschung unerlässlich. Darüber hinaus besteht ein besonderer Bedarf an Technologien ohne unerwünschte Nebenwirkungen. Beispielsweise ist der biologische Transfer über eine Virusinfektion äußerst effizient, kann jedoch auch das Genom und den Metabolismus der Zielzellen verändern und somit die Beantwortung der zugrunde liegenden Forschungsfrage stören. Darüber hinaus müssen virenbasierte Techniken eine Reihe von Vorschriften erfüllen und erfordern spezielle Einrichtungen. Weniger effiziente chemische Transferverfahren (z. B. Lipide und Polymere) sind einfacher anzuwenden, jedoch für ihre toxischen Wirkungen bekannt. Sowohl chemische, als auch virenbasierte Methoden, sind hinsichtlich der transferierbaren Substanzen limitiert. Schließlich minimieren physikalische Methoden unerwünschte Nebenwirkungen von Reagenzien oder Viren, die Vorbehandlungen verursachen jedoch zellulären Stress und es wird eine beträchtliche Anzahl von Zellen während des Verfahrens getötet. Um diesen Verlust zu kompensieren, benötigen die meisten physikalischen Verfahren zu Beginn der Behandlung eine minimale Zellzahl und sind daher weder für empfindliche Zellen noch für Untersuchungen mit begrenztem Zellmaterial (z. B. Primärpatientenzellen) geeignet. Weltweit sind etwa 200.000 akademische Forschungslabore und 50.000 Industrielabore von Techniken abhängig, mit denen Substanzen in Zellen eingebracht werden.
Abbildung 1: Technologien für den Transfer von Substanzen
Technologische Lücke und Projektziele
Angesichts dieser methodischen Lücke und der Nachfrage nach neuen Transferwerkzeugen für Substanzen haben wir den Einsatz von Mikrowellen für die Substanzabgabe getestet. Im letzten Jahr wurden markierte Peptide erfolgreich mit dem Prototyp eines “Mikrowellenporators” in adhärente Zellen transferiert. Der Prototyp ermöglicht die Überwachung der Aufnahmekinetik an lebenden Zellen mittels (konfokal) Mikroskopie und eignet sich dafür, adhärente Zellen über mehrere Tage zu kultivieren, zu manipulieren und zu beobachten. Dieses neuartige Gerät hat das Potenzial, die oben aufgeführten derzeitigen technologischen Einschränkungen zu umgehen und eine Marktlücke erfolgreich zu schließen. Die mikrowellenunterstützte Transfermethode setzt weder eine Zellstress verursachende Vorbehandlung voraus, noch dass die Zellen in Suspension vorliegen. Dadurch wird ermöglicht, Zellen in ihrem natürlichen Kulturzustand zu behandeln, ohne Bedarf an potenziell toxischen Reagenzien. Im Gegensatz zur Elektroporation weisen die ermittelten Daten während der Behandlung zudem fast keine Zellmortalität auf. Daher hängt die Effizienz des durch Mikrowellen unterstützten Stofftransfers nicht von einer großen anfänglichen Zellanzahl ab. Schließlich konnte die Übertragung eines fluoreszierenden Peptids (eines kleinen Proteins) in Echtzeit überwacht werden. Dieses war bis zu drei Tage nach der Behandlung nachweisbar und beeinträchtigte nicht die Lebensfähigkeit der Zelle. Daher sind wir überzeugt, dass der auf Mikrowellen basierende Ansatz das Potenzial hat, Substanzen in Zellen einzubringen, ohne deren Kulturbedingungen zu ändern.
Abbildung 2: Die Technologielücke und die Lösung durch Mikrowellenporation
Beteiligte Fachgebiete und Institute
Die Realisierung und die systematische Produktentwicklung erfordert die enge Zusammenarbeit und Expertise von Elektroingenieuren und Zellbiologen.
Das Forschungsinteresse des Institutes für Mikrowellentechnik und Photonik unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. Rolf Jakoby liegt unter anderem in abstimmbaren passiven Mikrowellengeräten und rekonfigurierbaren Mikrowellenantennen sowie RFID- und Mikrowellensensoren.
Die Forschungsgruppe Zellbiologie und Epigenetik befasst sich unter der Leitung von Prof. Dr. M. Cristina Cardoso mit den Prozessen der DNA-Replikation, -Reparatur und -Modifikation in Säugerzellen und der damit verbundenen Technologieentwicklung
Projekt Kick-Off 2019. Personen (v.l.n.r.): Prof. Dr. M. Cristina Cardoso (Projektleitung), Dr. Marina Kithil, M.Sc., Sönke Schmidt, M.Sc. (Projektkoordination), Dr.-Ing. Martin Schüßler (Projektteam), Prof. Dr.-Ing. Rolf Jakoby (Projektleitung), Robert Heitzmann (Innovationsmanager der TU Darmstadt, Pioneer Fund)
