Lasergestützte Transfektion und Manipulation von Zellen in einem Mikrofluidikaufbau

• Antragsteller: Professor Dr. Karsten König
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 285718390

• Erstellungsjahr: 2022

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ausdifferenzierte Zellen von Organismen haben die erstaunliche Eigenschaft, dass sie durch sogenannte genetischen Reprogrammierung in einen anderen Zelltyp umgewandelt werden können. Dazu muß geeignetes genetisches Material zunächst von außen in das Zellinnere eingebracht werden von wo es dann durch die zelleigenen Transportmechanismen selbst in das Erbgut aufgenommen wird. Das Eindringen großer Moleküle von außen in das Zellinnere wird normalerweise durch die Zellmembran verhindert, die die Zelle umgibt und schützt. Es gibt aber verschiedene technische Verfahren, um entweder die Zellmembran durch physikalische Prozesse durchlässig zu machen oder genetisches Material an einen Vektor (Virus; Nobelpreis Yamanaka und Gurdon 2012) zu koppeln, der ein Eindringen in das Zellinnere ermöglicht. Ein alternatives, viren-freies Verfahren ist die lasergestützte Zelltransfektion. Dabei wird die Zellmembran ruhender Zellen durch kurzeitige Bestrahlung mit einem fokussierten Laserstrahl punktuell vorübergehend geöffnet, so dass genetisches Material aus der Umgebung aufgenommen und ins Zellinnere gelangen kann. Herkömmlicherweise können auf diese Weise einzelne Zellen nacheinander adressiert werden, indem man den Laserfokus entsprechend verfährt. Dieses Verfahren ist jedoch langsam und nicht sehr effizient. Um eine große Anzahl von Zellen zu reprogrammieren, ist die Einbindung mikrofluidischer Systeme notwendig. Hier setzt das vorliegende Projekt an. Es wurde ein neuartiger mikrofluidischer Aufbau entwickelt, in dem die Zellen kontrolliert durch einen elongierten Laserfokusbereich strömen. Durch genaues Einstellen der Fließgeschwindigkeit kann die Wechselwirkungsdauer mit der Laserstrahlung zu optimiert werden. Wichtige Parameter wie Zellflussgeschwindigkeit, Bestrahlungsdauer und Stärke, welche die Effizienz des Verfahrens bestimmen, wurden untersucht. Corona-bedingt konnten einige Experimente an vitalen Zellen nicht durchgeführt werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Microfluid setup for high throughput laser-assisted cell transfection, Proc. SPIE 11648, 116480P (2021)
  H. G. Breunig, K. König
  
• “Towards laser-assisted microfluidic-cell transfection”, Proc. SPIE 10881, 108811W (2019)
  H. G. Breunig, A. Batista, K. König
  
• High-speed imaging of gas-bubble formation during femtosecond-laser cell optoporation, Proc. SPIE 11244, 112441K (2020)
  A. Batista, H. G. Breunig, K. König