Kontrollierte
Modellstudie von Zellen - ein Biochip als Minilabor
Wissenschaftler
können jetzt erstmals die Wirkung von Antibiotika unter
komplexen Bedingungen testen, die beispielsweise der Situation
von Patienten mit infizierten Kathetern vergleichbar sind.
von Dr.
Joachim Eiding
Amerikanische
Physiker haben erstmals in einer Modellstudie überprüft,
wie sich Bakterien über einen längeren Zeitraum
in einem Verbund verhalten. Prinzipiell weisen Mikroorganismen
in einer Gruppe andere Eigenschaften auf als einzelne Zellen,
unterliegen beispielsweise bestimmten Mutationen. Hier gelang
es den Forschern, ein System mit Kolibakterien über einen
Zeitraum von 200 Stunden störungsfrei zu beobachten.
In der
Medizin spielt das Phänomen der Biofilme, den bestimmte
Kleinstlebewesen bilden können, seit Jahren eine große
Rolle. Haben sich im Körper beispielsweise Kolibakterien
erst einmal zu einer „organischen Gruppe“ zusammengerottet,
herrschen ähnlich wie beim Menschen andere Gesetze –
die Regeln eines Teams. Nach dem Motto „Gemeinsam sind
wir stark“ riegeln sie sich nach außen ab, wehren
sich erfolgreich gegen Antibiotika und andere Arzneimittel.
Händeringend versuchen Mediziner seit langem, das Verhalten
von Zellen-Verbänden zu studieren, in dem sie ihre „Gruppeneigenschaften“
umgehen.
Völlig
neue Erkenntnisse bietet nun ein Forscherteam um den Physiker
Frederick Balagaddé vom California Institute of Technology
in Pasadena, USA (www.caltech.edu) im Magazin Science (www.sciencemag.org)
(Band 309, Seite 137, 2005). Den Naturwissenschaftlern ist
es gelungen, ein kontrolliertes System von Bakterienverbänden
über einen Zeitraum von 200 Stunden zu beobachten. Zu
diesem Zweck verfolgten sie die Idee, ein tatsächlich
existierendes Makrosystem auf einem Mikromaßstab abzubilden.
Sie entwickelten eine spezielle Kleinstapparatur: Auf einem
Chip, nicht größer als eine amerikanische Zehn-Cent-Münze,
montierten die Physiker sechs unabhängige, winzige Bioreaktoren.
In jedes dieser Mikrogefäße, mit einem Volumen
von 16 Nanolitern, gaben sie je eine Lösung von nur 100
bis 10.000 Bakterien der Art Escherichia coli (E. coli). Dabei
griffen die Forscher auf zwei verschiedene Stämme der
Mikroorganismen zurück.
Die Reaktionsgefäße
waren prinzipiell als eine Art Kreislauf konzipiert, der maschinell
vom Computerchip gelenkt wird und neben so genannten Wachstumskammern
auch eine peristaltische Pumpe enthält. Auf diese Weise
konnten die Physiker ohne Probleme den Einfluss von Parametern
wie Konzentration und Menge der Einzelzellen sowie die Pumpengeschwindigkeit
der Apparatur auf das Verhalten der Bakterienstämme austesten.
Die Zirkulationen verhinderten außerdem durch regelmäßige
„Waschvorgänge“, dass sich in den dünnen
Kapillaren Biofilme ablagerten.
Variable
Versuchsbedingungen
In den
sechs Minibehältern herrschten stets verschiedene Versuchsbedingungen:
Während Balagaddé beim Bakterienstamm in den ersten
drei Bioreaktoren ein spezielles Signalsystem einbaute und
sehr viele Parameter variierte, verfuhr er beim zweiten Stamm
in den letzten drei „Kleinstkochtöpfen“ deutlich
moderater.
Im Detail:
Die Arbeitsgruppe beobachtete in den ersten drei Reaktoren,
dass sich die Bakterien zunächst vermehrten. Damit das
Wachstum der Zellkultur nicht endlos fortschreiten konnte,
nutzten die Wissenschaftler hier ein künstliches Bio-Signalsystem,
als „Quorum-Sensing“ bekannt. Es regelt die Konzentration
der Zellen auf seine Weise: Einzelne Stämme an Kolibakterien
produzieren bestimmte Biomoleküle, Pheromone, wie beispielsweise
Acyl-Homoserinlactone (AHL). Diese Signalmoleküle sind
in der Lage, festzustellen, wie viele Artgenossen in einer
Lösung vorhanden sind, dienen der „internen Kommunikation“.
Dazu müssen die Forscher den Bakterien noch einen Akzeptor
einpflanzen – ein charakteristisches Plasmid, das nicht
zum Erbgut gehört.
Übersteigt
die Anzahl der Kleinstorganismen einen spezifischen Grenzwert,
aktivieren diese AHL-Moleküle einen bestimmten Abschnitt
auf diesem Plasmid. Dieser bewirkt die Produktion eines so
genannten „Killer-Proteins“, das zum sofortigen
Zelltod führt. Damit sinkt die Konzentration der Bakterien
auf einen niedrigen Level. Nachdem nun außerdem die
Mikroapparatur die Probe zu diesem Zeitpunkt noch verdünnt,
sinkt auch die Anzahl der „Killer-Eiweiße“.
Damit kann die Konzentration der Bakterien wieder ansteigen
und der Kreis schließt sich hier. Das Experiment geht
in diesem Bioreaktor in die zweite „Schleife“.
Erfolgreiche
Langzeitstudie
Die Proben
in den ersten drei Minibehältern brauchen auf diese Weise
drei bis vier Umläufe, bis sich ein stabiles Gleichgewicht
im Reaktor eingestellt hat und jede weitere Messung sinnlos
wird. Dazu benötigte das System knapp 200 Stunden. Somit
haben die Physiker hier zum ersten Mal ungewöhnlich lange
Zeit, um das Verhalten von Kolibakterien zu studieren. Die
anderen drei Gefäße stoppten die Durchläufe
schon nach etwa 100 Stunden.
„Dieser
´Mikrochemostat´ hat es uns ermöglicht, die
Entwicklung von bakteriellem Wachstum über Hunderte von
Stunden zu verfolgen“, freut sich Frederick Balagaddé.
Seine Methode gestattet es, ideale Versuchsbedingungen für
ein größeres System an Bakterien auszuprobieren.
So könnten Wissenschaftler endlich auch Antibiotika nun
unter komplexeren Bedingungen testen, die der Situation von
Patienten mit beispielsweise infizierten Kathetern viel ähnlicher
ist. Daher schätzt der amerikanische Physiker, dass seine
neue Methode besonders in der Medizin und der Pharmazie mit
Erfolg angewendet werden kann. Ebenso erscheint es auch möglich,
eines Tages ein solches Versuchssystem per Computer online
und „in Echtzeit“ zu überwachen.
Bilder:
BU: Chip
mit sechs unabhängigen Mikrochemostaten. Die kleinen
Kanäle sind mit Lebensmittelfarbstoff gefüllt
Foto:
Frederick Balagaddé
BU: Chip
mit sechs unabhängigen Mikrochemostaten. Die kleinen
Kanäle sind mit Lebensmittelfarbstoff gefüllt
Foto:
Frederick Balagaddé
BU: Eine
Auswahl von vier Mikrochemostaten, die wachsende Bakterien
überwachen. Die Bedingungen in den Chemostaten werden
durch ein kleines Rohrnetzwerk kontrolliert, dessen Kanäle
mit Lebensmittelfarbstoff gefüllt sind
Foto:
Frederick Balagaddé
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