Untersuchung von Biomolekülen und Zellen an der Masaryk-Universität in Brünn, Tschechien, mit den JPK ForceRobot®- und NanoWizard®-Rasterkraftmikroskop-Systemen

Dr. Jan Pribyl ist stellvertretender Leiter der Gruppe von Prof. Petr Skládal an der Masaryk-Universität in Brünn, Tschechien. Das Hauptziel der Gruppe war, elektrochemische und akustische (QCM) Biosensoren zu entwickeln. Daraus resultierte die Idee, Rasterkraftmik-roskopie einzusetzen und mit dieser hochauflösenden Methode Biomoleküle, Nanopartikel und/oder andere nanostrukturierte Objekte auf der Oberfläche von festen, nicht-transparenten Biosensor-Transducern (Elektroden) abzubilden. Dieses Projekt startete vor neun Jahren, aber der entscheidende Schritt nach vorne gelang erst 2014 mit der Anschaf-fung der JPK ForceRobot®- und NanoWizard®-AFM-Systeme. Beide stehen in der Nanobio Core Facility des CEITEC und werden nun seit über drei Jahren intensiv genutzt. Die aus-geklügelten Systeme können mit inverser Lichtmikrokopie kombiniert werden und er-möglichen sog. Force-Mapping (die Aufnahme von Kraftkurven), so dass die Gruppe intensiv mit der Forschung an lebenden Zellkulturen beginnen konnte. Der entscheidende Unter-schied der JPK-Systeme im Vergleich zu anderen Rasterkraftmikroskopen im Labor war, dass mit ihnen problemlos biologische Proben in Flüssigkeiten untersuchen konnten.

Bis jetzt wurden verschiedenste Probenarten untersucht, darunter Kardiomyozyten, bei denen biomechanische Eigenschaften wie Kraft und Schlagrate mit dem Rasterkraftmik-roskop einfach aufgenommen werden können, wenn ein entsprechend kalibrierter Cantilever auf der Oberfläche des Kardiomyozyten-Clusters verwendet wird. Der Cluster kann in einer Standard-Petrischale in dem eigens dafür konzipierten JPK PetriDishHeater™ gehalten wer-den. Der Inhalt der Petrischale kann über integrierte Schläuche ausgetauscht werden, so dass gelöste Medikamente und ihr Einfluss auf z.B. biomechanische Eigenschaften von unterschiedlichen Kardiomyozyten-Arten untersucht werden können.

Ein weiterer Probensatz war CAL51, eine Brustkrebszellenlinie. Die Hippo-Effektoren YAP/TAZ agieren als mechanosensitive Ein/Aus-Schalter, indem sie Änderungen in der Zusammensetzung und Mechanik der extrazellulären Matrix (ECM) wahrnehmen. Die Gruppe setzte AFM und Nanoindentation ein, um Änderungen der Zellsteifigkeit zu beo-bachten, wenn die Aktivität dieser Schalter beeinträchtigt war.

Der Einfluß der mechanischen Eigenschaften von Hilfsmaterialien auf die Steifigkeit von Fibroblasten, die auf einer solchen Oberfläche gewachsen sind, wurde untersucht. Gleich-zeitig wurden andere Parameter wie Zellmorphologie und Aktinfaserstruktur aufgenommen. Auch die mechanischen Eigenschaften von jungen Pflanzen im Hypokotyl- und Wurzel-bereich wurden untersucht, um die Unterschiede zwischen verschiedenen Mutationen aufzuzeigen. Die Experimente wurden an lebenden Pflanzenorganismen nahezu unter In-vivo-Bedingungen ausgeführt. Die Ergebnisse dieser und anderer Experimente wurden bereits zusammengeschrieben und veröffentlicht (siehe Publikationen am Ende des Ar-tikels).

Dr. Pribyl sieht viele gute Gründe, die für das NanoWizard® AFM sprechen: "An erster Stelle muss die Kombination mit Licht/Fluoreszenzmikroskopie erwähnt werden. Wir setzen das JPK AFM-System meistens für die Arbeit mit lebenden Zellen ein, wo das optische Bild es-sentiell ist. Fluoreszenz-Emission wird aufgenommen, wenn Zellen mit exprimierten YFP/GFP-Proteinen lokalisiert werden. Wir erweitern unser Olympus-Mikroskop gerade mit einer Zyla sCMOS-Kamera von Andor. Die Kamera kann direkt über die JPK-Software mit dem System verbunden werden, so dass optisches Bild und AFM-Messung übereinanderge-legt werden können. Das eröffnet uns neue Möglichkeiten in der Zellforschung." Als weiteren wichtigen Vorteil sieht er u.a. die Robustheit des Systems, das einen Durchsatz von mehre-ren hundert Zellen im Jahr bewältigen muss.

Für Dr. Pribyl ist JPKs QI™-Mode (Quantitative Imaging) mehr als nur ein quantitativer Ansatz zur Datenaufnahme: "Ich persönlich schätze die Präzision, mit der die Spitze an jedem Punkt der aufzunehmenden Stelle in Kontakt mit der Probe gebracht werden kann und mit der während der kurzen Zeit, die die Aufnahme der Kraft-Abstandskurve dauert, die Kraft konstant gehalten wird. Das ist bei sog. "problematischen" Proben wie z.B. elastische Materialien (Zellen, Hydrogele, etc.) besonders nützlich, die man mit den gängigen Modi wie Contact- oder AC-Modus nicht so einfach abbilden kann."

JPK Instruments entwickelt, konstruiert und fertigt Instrumente in Deutschland zu weltweit anerkannten Standards der deutschen Feinmechanik, Qualität und Funktionalität. Für weitere Einzelheiten über das NanoWizard® AFM-System und Zubehör, sowie weitere Produkte und Anwendungen besuchen Sie uns auf der JPK Webseite www.jpk.com, YouTube, Facebook oder LinkedIn.