Zelldynamik und Detektion magnetisch markierter Zellen

Dreidimensionale Biomaterialien werden als Gerüstmaterialien für Zellen verwendet und ermöglichen die Proliferation und die Migration von Zellen in drei Dimensionen. Die Entwicklung dieser Materialien zielt auf die Erzeugung künstlichen Gewebes ab, welches z.B. genutzt werden kann, um erkranktes Gewebe zu ersetzen. Bevor dieses Gewebe transplantiert werden kann, ist es essenziell sicherzustellen, dass das gesamte Probenvolumen von Zellen durchsetzt ist und nicht nur die Oberfläche der Probe. Da dies von Probe zu Probe unterschiedlich sein kann, ist eine Individuelle experimentelle Bestimmung für jede Probe notwendig. Der Nachteil bisheriger Methoden zur Bestimmung der räumlichen Verteilung mithilfe eines optischen Mikroskops oder eines Rasterelektronenmikroskops ist, dass eine destruktive Probenvorbereitung benötigt wird, womit die Proben nach der Untersuchung nicht weiterverwendet werden können. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es daher, ein Messverfahren zu entwickeln, das die zerstörungsfreie Detektion von Zellenverteilungen in Biomaterialien ermöglicht. Dazu werden die Zellen mit magnetischen Partikeln markiert. Anschließend wird das von diesen Partikeln ausgehende Feld mithilfe eines magnetoelektrischen Sensors detektiert. Die Lösung des inversen Problems liefert anschließend die Verteilung der magnetisch markierten Zellen, die dem gemessenen Feld zugrunde liegt. Um die Zielsetzung zu erreichen, müssen mehrere Herausforderungen bewältigt werden. So erzeugt ein Ensemble magnetischer Nanopartikel erst dann ein Feld in seiner Umgebung, wenn es sich selbst in einem Magnetfeld befindet. Da Magnetfelder mit dem Abstand zur Quelle stark abnehmen, sollte der Sensor zudem möglichst dicht an der Probe platziert werden. Damit ergibt sich die Herausforderung der Messung einer kleinen Feldvariation in einem vielfach größeren Hintergrundfeld. Des Weiteren können magnetische Hintergrundsignale, erzeugt beispielsweise durch stromführende Leitungen, die Messung überlagern und so eine Rekonstruktion der Zellverteilung unterbinden. In dieser Arbeit wird ein Aufbau zur Detektion magnetischer Partikel vorgestellt und die Möglichkeiten diskutiert, um die genannten Herausforderungen zu lösen. Des Weiteren wird die Nachweisgrenze und die räumliche Auflösung sowie die Machbarkeit von Zellmessungen experimentell nachgewiesen. Um zu beantworten, ob der vorgeschlagene Aufbau für die Zellmessungen beeinflusst, wird in der vorliegenden Arbeit auch der Einfluss von intrazellulären magnetischen und unmagnetischen Partikeln auf die Zelldynamik untersucht. Für die Beobachtung der Bewegung intrazellulärer Partikel wurde ein Matlab Programm entwickelt, mit dem intrazelluläre Partikel automatisiert verfolgt und ihre Trajektorien bestimmt werden können. Die so bestimmten Trajektorien einzelner, natürlich vorkommender, intrazellulärer Partikel zeigen hochinteressante superdiffusive Eigenschaften. Um die Ursachen dieser superdiffusiven Bewegung aufzudecken, werden mehrere Faktoren untersucht, die zu diesem Verhalten beitragen können. Dabei zeigt sich, dass insbesondere Ausstülpungen in der Zellmembran zu einer gerichteten und damit superdiffusiven Bewegung im Zeitbereich von mehreren 10 Sekunden führen. Um in Zukunft auch Zellverteilungen in drei Dimensionen zerstörungsfrei auflösen zu können, wird darüber hinaus ein neuartiger Aufbau zur Detektion magnetischer Nanopartikel vorgeschlagen.

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