#forschungsgegenstand: Zellsortierer

Aus der Reihe #forschungsgegenstand
TLDR:

Alltag in der medizinischen Forschung: Aus Blut sollen für Laboruntersuchungen einzelne Zellpopulationen heraussortiert werden. Aber wie funktioniert das? Mit einem Mikrochip, drei verschiedenen Lasern und ungefähr 150 Minuten Zeit.

Lesedauer: 2:30 min Kategorie: Medizin Datum: 10. Oktober 2022

Wenn Dr. Anna Langner den Zellsortierer „MACSQuant® Tyto®“ anschaltet, ertönt ein deutliches Brummen und ein kalter Luftstrom erfüllt die Luft. Das Gerät muss konstant gekühlt werden, damit seine Hochleistungslaser nicht überhitzen. Sie sind essenziell, wenn es darum geht, Zellen aufgrund von Eigenschaften wie ihrer Form, Größe, Struktur oder Färbung zu sortieren. „Durchflusszytometrie“ nennt sich diese Methode, die an der Universität Oldenburg in der Abteilung „Experimentelle Allergologie und Immundermatologie“ durchgeführt wird. Langner ist wissenschaftliche Leiterin des Labors „Core Facility- Cell Sorting“, in dem der Zellsortierer steht.

Den MACSQuant® Tyto® konnte Prof. Dr. Ulrike Raap, Direktorin der Abteilung für experimentelle Allergologie und Immundermatologie, im Jahr 2019 durch einen Antrag bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) anschaffen. Nicht nur Forschende der medizinischen Fakultät der Universität können das Gerät seither nutzen. „Auch externen Forschenden und Unternehmen steht es gegen eine Nutzungsgebühr zur Unterhaltung des Geräts zur Verfügung“, sagt Langner. Sie koordiniert die Terminvergabe und weist Interessierte in das Gerät ein.

Zum Zellsortierer gehört neben den Lasern eine Kühlkammer, in die Langner eine Kartusche mit der Flüssigkeit gibt, die untersucht werden soll. Über einen Bildschirm kann sie den Sortiervorgang steuern.

Sortieren mit Mikrochip und Laser

Die Forschenden an der Universität nutzen den Zellsortierer vor allem, um unter sterilen Bedingungen verschiedene Zelltypen, etwa Immun-, Stamm oder Tumorzellen, aus Proben zu gewinnen. Bei den Proben kann es sich etwa um Blut, Zellgewebe oder Zellkulturen handeln. Darüber hinaus können die Forschenden auch mit Risikomaterial wie gentechnisch modifizierten Zellen, Bakterien, Hefen oder infektiösem Patientenmaterial arbeiten. „Das ist deshalb unkompliziert möglich, weil sich die zu untersuchenden Flüssigkeiten in einer sterilen, abgeschlossenen Kartusche befinden“, so Langner. Sie kommen so weder mit dem Gerät noch mit der Umgebungsluft im Labor in Berührung.

Um beispielsweise fluoreszenzmarkierte Zellen aus einer Flüssigkeit auszusortieren, füllt Langner diese in die linke Kammer der Kartusche. Anschließend werden während des Sortiervorgangs die markierten Zellen durch ein mechanisches Ventil innerhalb eines Sekundenbruchteil in eine zweite und die restlichen Zellen in die letzte Kammer sortiert.

Vor dem eigentlichen Sortiervorgang färben die Forschenden beispielsweise mit fluoreszenzmarkierten Antikörpern diejenigen Zellen ein, die sie extrahieren wollen. „Die Antikörper erkennen gezielt spezifische Strukturen auf den Zellen“, erläutert Langner. „An diese binden sie sich, sodass die Zellen quasi ein ,grünes Fähnchen‘ tragen, das vom Laser erkannt werden kann“. Die Probe mit den markierten Zellen füllt Langner in die erste von drei Kammern einer Kartusche. Diese wiederum steckt sie in die dafür vorgesehene Kühlkammer im Zellsortierer.

Am Display kann Langner festlegen, nach welchen Kriterien die Zellen sortiert werden sollen – also beispielsweise nach der vorher markierten Färbung. Wesentlich für die Sortierung ist ein Mikrochip, der unterhalb der drei Kammern verbaut ist. Durch einen sehr engen Kanal fließen die vereinzelten Zellen unter Druck durch den Mikrochip. Wenn sie den Laser passieren, werden sie mit ihren physikalischen und antikörpermarkierten Eigenschaften erfasst. So geht vom Chip ein magnetisches Signal aus, wenn der Detektor des Geräts grün markierte Zellen registriert. Dieses Signal öffnet ein Ventil zur zweiten der drei Kammern. Hier sammeln sich die ausgewählten Zellen. Der Rest, also die ungefärbten Zellen, gelangt in die dritte Kammer. So können in ungefähr 150 Minuten etwa zehn Milliliter Flüssigkeit mit bis zu 500 Millionen Zellen sortiert werden.

Das Ergebnis des Sortierprozesses schaut sich Langner auf einem Bildschirm an. Beide Zellgruppen – die aussortierten und die verbliebenen Zellen – können bei Bedarf erneut sortiert werden. „Möglich ist das, weil die Methode besonders schonend für die Zellen ist“, erklärt Langner.

Anwendungen: per Blutprobe Allergien diagnostizieren?

Im Forschungsalltag ist die Zellsortierung häufig ein erster Schritt, um Zellen anschließend genauer zu analysieren – zum Beispiel in einem Kooperationsprojekt der Core Facility – Cell Sorting mit Jochen Behrends vom Forschungszentrum Borstel. Hier beschäftigen sich Forschende mit basophilen Granulozyten: einer Untergruppe weißer Blutkörperchen, die für die Immunabwehr notwendig ist und bei Allergiker_innen häufig verstärkt vorkommt. „In dem Projekt spielt der Zellsortierer eine wichtige Rolle, weil er die sehr empfindlichen basophilen Granulozyten mit niedrigem Druck und in guter Qualität aus dem Pool der weißen Blutkörperchen sortieren kann“, sagt Langner.

Nach der Zellsortierung vergleichen die Forschenden die Oberflächenstruktur dieser Zellen aus dem Blut von Allergiker_innen und Nicht-Allergiker_innen. Auf dieser Grundlage möchten sie ein Testverfahren entwickeln, um Allergien anhand von Zellanalysen zu diagnostizieren. Dieses Testverfahren könnte sogenannte Provokationstests ersetzen, in denen Patient_innen winzigen Mengen von Allergenen wie etwa Erdnüsse oder Insektengift ausgesetzt werden.

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