Bei Operationen auf Zellebene bleiben vom gewohnten Handwerkszeug der Chirurgen nur die Begriffe. Nanopartikel und Laser ersetzen das Operationsbesteck beim Schneiden, Greifen und Verschließen von Schnitten auf subzellulärer Ebene.
Mikrochirurgische Eingriffe, beispielsweise am Auge, sind seit Jahrzehnten Routine. Doch wie steht es mit einer lebenden Zelle als Operationsgebiet? Mechanische Instrumente könnten hier auch im Miniaturformat nur Zerstörung anrichten. Dennoch arbeiten Wissenschaftler der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) und des Uniklinikums Erlangen daran, die Prinzipien der klassischen Chirurgie auf Behandlungen innerhalb der Zellmembran zu übertragen – doch alles im Nanoformat.
Die Erlanger Forscher setzen auf laserbasierte Skalpelle und Optische Pinzetten. „Wir können Nanopartikel in einer Art ‚optischer Falle‘ fangen und präzise über eine Oberfläche bewegen“, erklärt PD Florian Stelzle, einer der Projektleiter an der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgischen Klinik Erlangen. „Lenkt man einen Laserstrahl auf einen solchen Nanopartikel, dann wirkt das Teilchen wie eine Linse, sofern Wellenlänge und Partikelgröße zusammenpassen.“ Direkt hinter dem Partikel erreicht der Strahl in einem kleinen Bereich also eine sehr hohe Intensität. Es verwandelt sich in ein sehr scharfes Instrument, aber nur im Nanometerbereich.
In einem weiteren Schritt ist der Einsatz Optischer Pinzetten geplant. Sie sollen einzelne Mikro- und Nanopartikel berührungslos manipulieren und bewegen, und in die Zelle schleusen.
Da die Zellwand normalerweise für diese Teilchen nicht durchlässig ist, muss das Laserskalpell zuvor einen Durchgang öffnen. Durch die perforierte Membran kann die Pinzette ein Partikel in die Zelle bringen. Damit können einzelne Strukturen im Zellinneren – etwa Mitochondrien, die „Kraftwerke“ der Zellen – gezielt bearbeitet, verändert oder entfernt werden. „Ganz so, als ob man die Gallenblase oder eine andere erkrankte Struktur herausnimmt, um den Patienten zu heilen, ist das auch an der Einzelzelle vorstellbar“, erläutert Stelzle.
Damit kann in Zukunft untersucht werden, wie wichtige zelluläre Kommunikationswege und Strukturen auf solche Eingriffe reagieren und ob sich ihre Funktion verändert. Aufschlüsse werden speziell über Möglichkeiten erwartet, per Nanochirurgie die molekularen Mechanismen zu manipulieren, die den Zelltod steuern. Hier zeigen sich vielfältige Einsatzmöglichkeiten vor allem in der Tumortherapie, der Nervregeneration oder der künstlichen Züchtung von Gewebe, dem Tissue Engineering.
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