Paper of the Month

März 2019


High-throughput single-cell rheology in complex samples by dynamic real-time deformability cytometry, Nature Communications. DZHK-Autoren: Fregin, Gross, Otto

Mechanische Eigenschaften von Suspensionszellen haben sich in den Lebenswissenschaften schon seit längerem als markierungsfreie Biomarker für biologische Funktionen und Krankheiten etabliert. Sie sind von hoher Relevanz, wenn traditionelle molekulare Marker entweder nicht verfügbar oder nicht erwünscht sind, beispielsweise in der regenerativen Medizin. Bisher wurde die Nutzung zellmechanischer Eigenschaften in der Medizin durch aufwändige Datennachbearbeitung oder niedrigen Durchsatz eingeschränkt.

Die Real-Time Deformability Cytometry (RT-DC) erweiterte mechanische Zelluntersuchungen hinsichtlich einer sehr schnellen Charakterisierung großer Zellzahlen in Echtzeit. Die RT-DC ist eine mikrofluidische Technologie, die auf der durch Scherkräfte induzierten Verformung von Zellen in einem engen Kanal basiert. Während die Zellen den Kanal passieren, werden sie mit einer Hochgeschwindigkeits-CMOS-Kamera aufgenommen und gleichzeitig analysiert.

RT-DC bewies seine Bedeutung in den Lebenswissenschaften unter anderem dadurch, dass sich mit der Methode die Aktivierung von Immunzellen in einer Vollblutprobe erkennen und die Membrandynamik der Pathogenese von Malaria beschreiben lässt. Im Gegensatz zu fluoreszenzbasierten Techniken wie der Durchflusszytometrie, deren Parameterraum durch zusätzliche molekulare Fluoreszenzfarbstoffe und Laser erweitert werden kann, war die RT-DC auf einen einzigen Materialparameter beschränkt, das Elastizitätsmodul.

In unserer aktuellen Publikation stellen wir die dynamic RT-DC (dRT-DC) zur gleichzeitigen zellmechanischen Messung elastischer und viskoser Eigenschaften bei einer Messrate von bis zu 100 Zellen pro Sekunde vor. Durch Analyse der Zellkontur mit Hilfe der Fourier-Transformation ist unsere Methode in der Lage, die zelluläre Antwort auf die komplexen hydrodynamischen Stressverteilungen im mikrofluidischen Kanal aufzulösen und viskoelastische Parameter unabhängig von der Zellform zu extrahieren.

Wir zeigen die Anwendung unserer Technologie für periphere Blutzellen in Vollblutproben, einschließlich der Unterscheidung von B- und CD4+ T-Lymphozyten anhand mechanischer Eigenschaften. Die Technologie hat das Potenzial, in der Herz-Kreislauf-Forschung von großer Bedeutung zu sein, da mit einem einfachen Bluttest, basierend auf zellmechanischen Eigenschaften, die Reaktion des Immunsystems bei entzündlichen Herzerkrankungen überwacht werden könnte.

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