Entwicklung eines Rasterionenleitfähigkeitsmikroskops zur Untersuchung morphologischer und mechanischer Besonderheiten von menschlichen Thrombozyten

Abstract

Dissertation gesperrt bis zum 06.07.2027!

Um zellbiologische Prozesse unter physiologischen Bedingungen hochauflösend und nicht-invasiv untersuchen zu können, wurde ein neuer Aufbau für die Rasterionenleitfähigkeitsmikroskopie (SICM) entwickelt. SICM ermöglicht die quantitative, kontaktfreie Erfassung topographischer und mechanischer Eigenschaften lebender Zellen mittels einer Nanopipette, deren Ionenstrom in Abhängigkeit vom Abstand zur Zelloberfläche gemessen wird. Der entwickelte Aufbau zeichnet sich durch verbesserte Benutzerfreundlichkeit und hohe Bildraten aus (<7 s/Bild bei 40×40 Pixeln), unter anderem durch die Integration eines Annäherungsmotors und eines Systems zum Flüssigkeitsaustausch während laufender Messungen. Damit konnten erstmals dynamische Volumenänderungen einzelner menschlicher Thrombozyten unter hypotonischem Schock mit einer Auflösung von 0.1 fL analysiert werden. Die Zellen zeigten hierbei eine aktive Volumenregulation, deren Geschwindigkeit und Effizienz quantitativ beschrieben wurde. Zudem wurde der Einfluss verschiedener Aktivatoren (Thrombin, Kollagen, ADP) sowie eines Volumenregulationsinhibitors auf dieses Verhalten untersucht. Aktivierte Thrombozyten zeigten dabei ein ausbleibendes Regulationsverhalten. Besonders interessant war die Beobachtung, dass Thrombin- und ADP-aktivierte Zellen trotz Reduktion des nicht-osmotischen Zellanteils ihr Gesamtvolumen konstant hielten – ein Hinweis auf wasservermittelte Volumenkompensation. Zusätzlich wurde gezeigt, dass das Zellvolumen mit der mechanischen Steifigkeit der Thrombozyten korreliert: Zunehmendes Volumen ging mit abnehmender Steifigkeit einher. Diese Korrelation blieb auch unter verschiedenen Bedingungen (z. B. bei Zellspreading oder unter aktinhemmender Behandlung mit Cytochalasin D) erhalten. Damit konnte eine robuste, behandlungsunabhängige Beziehung zwischen Volumen und Steifigkeit etabliert werden. Insgesamt belegt diese Arbeit die Leistungsfähigkeit des neuen SICM-Systems zur hochauflösenden Echtzeit-Charakterisierung lebender Zellen und liefert neue Erkenntnisse zur Volumenregulation und mechanischen Eigenschaften von Thrombozyten – mit potenzieller Relevanz für die Untersuchung krankheitsrelevanter Prozesse.