Nano-Endoskop ermöglicht Blick in die lebende Zelle

Mit einem neuentwickelten Nano-Endoskop können Forscher in lebende Zellen hineinblicken, ohne diese zu beschädigen oder zu zerstören. Das winzige Gerät eignet sich auch dazu, gezielt Arzneimittel oder Marker in bestimmten Bereichen einer Zelle zu platzieren. Das berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin „Nature Nanotechnology“.

Das Nano-Endoskop besteht aus einer wenige Mikrometer dicken Glasfaser, die blaues Laserlicht durch einen an ihrer Spitze befestigten Nanodraht leitet. Dieser Draht aus Zinndioxid ist nur 100 bis 250 Nanometer dick und damit tausendfach dünner als ein menschliches Haar. Daher dringt der stabile, aber biegsame Draht leicht durch die Zellwand und überträgt das Laserlicht in das Zellinnere. „Das Einführen des Nanodrahts löste weder Membranschäden oder andere Beschädigungen aus, noch zog es den Tod der Zellen nach sich“, berichten die Forscher.

Einmal im Zellinneren angelangt, ermöglichte es der feine Nanodraht, gezielt einzelne Zellbestandteile anzusteuern. „Dadurch können wir biologische Prozesse in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung untersuchen“, sagt Studienleiter Peidong Yang vom Lawrence Berkeley National Laboratory in Kalifornien. So konnten die Forscher zuvor mit einem Leuchtmarker versehene Strukturen mit dem Nano-Endoskop beobachten und abbilden.

Bisherige optische Systeme für diesen kleinen Maßstab seien extrem komplex, klobig und sehr teuer und würden zudem die beobachteten Zellen oft beschädigen, konstatieren die Wissenschaftler. Durch die Kombination des Nanodrahts mit einem einfachen, herkömmlichen Glasfasersystem habe man nun ein günstiges, handliches und zellschonendes Miniatur-Endoskop geschaffen.

Ministrukturen in die Zelle eingeschleust

Dass sich das Nano-Endoskop auch dafür eignet, Substanzen gezielt in Zellen einzuschleusen, belegten die Forscher in einem weiteren Versuch. Bei diesem befestigten sie wenige Nanometer kleine Atomstrukturen, sogenannte Quantenpunkte, an der Spitze des Nanodrahts. „Die Bindung zwischen Draht und Quantenpunkt kann durch schwache ultraviolette Strahlung wieder gekappt werden“, erklären Yang und seine Kollegen.

Das solcherart beladene Nano-Endoskop führten die Wissenschaftler in eine Zelle ein. Nach Bestrahlung habe das Endoskop die Quantenpunkte innerhalb von einer Minute an den gewünschten Zellorten abgelagert, berichten sie. Alternativ sei es auch möglich, die UV-Strahlung direkt durch den Nanodraht zu leiten und so die an dessen Spitze gebundene Nanostruktur freizusetzen.

„Bisherige Transportsysteme haben den großen Nachteil, dass sie 20 bis 30 Minuten brauchen, bis ihre Ladung in der Zelle ist“, schreiben die Forscher. Zudem habe man bei diesen oft auf Nanoröhrchen basierenden Verfahren kaum Einfluss auf den zeitlichen Ablauf des Einschleusungsprozesses.

Nano-Endoskop als pH-Messgerät

Sogar als pH-Messgerät eignet sich das Nano-Endoskop, wie die Forscher berichten. Dazu überzogen sie die Spitze des Nanodrahts mit einer Substanz, die auf sich ändernde pH-Werte mit einem Farbwechsel reagiert. Tauchten sie das Endoskop anschließend in Tröpfchen einer neutralen, sauren oder alkalischen Flüssigkeit, zeigte die Farbe der Endoskopspitze den entsprechenden pH-Wert an.

Nach Ansicht der Forscher könnte man so beispielsweise die pH-Werte einzelner Zellbereiche messen. Weil einzelne Zellen in Kultur nahezu transparent sind, ließe sich die Färbung der Endoskopspitze dabei von außen per Mikroskop beobachten. (doi: 10.1038/nnano.2011.226)

(Nature, 28.12.2011 – NPO)