Wie stark schädigen Smog, Dieselruß und Zigarrenqualm die Lungen? Was bewirken Blütenpollen oder Nanopartikel, wenn sie mit der Atemluft in den menschlichen Körper eindringen? Fraunhofer-Forscher haben ein neues Testsystem entwickelt, mit dem sich solche Fragen problemlos beantworten lassen. Damit ist es erstmals möglich, Substanzen aus der Luft unter genau kontrollierbaren Bedingungen über Lungen- oder Hautzellen zu leiten und gleichzeitig die Reaktion der Zellen mit dem Mikroskop zu beobachten.
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Die Luft bringt unseren Körper mit einer Vielzahl chemischer Substanzen in Berührung. Wie Haut und Schleimhäute, Bronchien und Lungen auf den erzwungenen Kontakt mit Fremdstoffen reagieren, lässt sich am besten an Zellkulturen untersuchen, die aus den jeweiligen Geweben stammen. „Dazu kultiviert man die Zellen auf einer porösen Kunststoffmembran, die von unten mit einer Nährlösung umspült wird und leitet dann von oben Luft mit der Prüfsubstanz über die Zellen“, erklärt Detlef Ritter vom Fraunhofer-Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin ITEM in Hannover.
Verfälschte Messungen
Theoretisch ganz einfach. Praktisch bereitet dieses Prüfverfahren, das schon in den 1970er Jahren erdacht wurde, allerdings bis heute Probleme: „Bei den herkömmlichen Testsystemen ist die Atmosphäre über den Zellen oft nicht sauber genug von der Nährlösung getrennt, vor allem an den Membranrändern. Deshalb reagieren die Prüfsubstanzen teilweise direkt mit der Lösung statt mit der Zelloberfläche – und das verfälscht die Messungen“, so Ritter. Ein weiteres Manko derzeit verfügbarer Systeme: Will man die mit Luftschadstoffen behandelten Zellen mit dem Mikroskop untersuchen, dann muss man sie zuvor in ein neues Gefäß umsetzen – was ebenfalls die Ergebnisse beeinflusst.
Neues, leistungsfähiges Testsystem
Das neue Testsystem, das am Fraunhofer ITEM entwickelt und zum Patent angemeldet wurde, überwindet diese Mängel: Es besteht aus mehreren Komponenten. Kernstück ist die Kulturplatte im Format handelsüblicher Multiwell-Platten. Sie wird ergänzt durch einen Expositionsaufsatz, die Gaszuleitung und eine Heizplatte. „Das Kulturgefäß ist so konstruiert, dass das einströmende Gas – und somit auch die darin mitgeführte Prüfsubstanz – keinen Kontakt zur Nährflüssigkeit hat. Die Trägermembran mit den anhaftenden Zellen bildet eine geschlossene Barriere zwischen den beiden Medien“, erläutert Ritter.
Mit dem System lassen sich außerdem erstmals alle wichtigen physikalischen Parameter – zum Beispiel Zusammensetzung, Temperatur, Druck und Strömungsgeschwindigkeit von Luft und Nährlösung – exakt definieren und kontrollieren. „Das erhöht die Robustheit, Reproduzierbarkeit und Empfindlichkeit der Untersuchungen“, so der Fraunhofer-Forscher.
Leuchten enthüllt schädliche Veränderungen am Erbgut
Ein weiterer Vorteil des neuen Systems, das die Forscher auf der BIO Convention vom 3. bis 6. Mai 2010 in Chicago vorstellen: Die Zellen lassen sich direkt während des Kontakts mit den Luftschadstoffen beobachten. Dazu färbt man das Gewebe vor dem Test mit bestimmten Fluoreszenzfarbstoffen an, die verschiedene Wachstumsprozesse, Vergiftungs- und Stressreaktionen oder schädliche Veränderungen am Erbgut innerhalb kürzester Zeit durch kräftiges Leuchten anzeigen.
Das Fluoreszenzlicht dringt durch den transparenten Boden der Kulturplatte nach außen und kann mit dem Mikroskop erfasst und ausgewertet werden. Durch dieses Life-Imaging lässt sich die Wirkung bestimmter Luftschadstoffe auf das untersuchte Gewebe ohne weitere Störung oder Zeitverzögerung sofort beurteilen.
(Fraunhofer-Gesellschaft, 14.04.2010 – DLO)
