Live-Cell Mikroskopie unter veränderten Schwerkraftbedingungen

Abstract

Einleitung: In der Gravitationsbiologie verwenden wir Klinostaten und Zentrifugen, um veränderte Schwerkraftbedingungen zu simulieren und zu erzeugen und die Reaktionen zellulärer Systeme darauf auszuwerten. Standardmäßig werden Proben nach der Exposition aus den Geräten entnommen und chemisch fixiert, wodurch sich mehrere Nachteile ergeben. Zum einen vergeht einige Zeit zwischen Entnahme der Proben und der Fixierung, in der die Zellen wieder normaler 1g Erdbeschleunigung ausgesetzt sind und readaptieren können. Zum anderen kann eine Probe immer nur zu dem einen fixen Zeitpunkt betrachtet werden. Wir haben es uns folglich zur Aufgabe gemacht, Live-Cell Mikroskopie in Hypergravitation und simulierter Mikrogravitation zu etablieren. Fragestellung: Moderne Mikroskope können vollautomatisch über Remote-Verbindungen angesteuert und bedient werden und eignen sich somit für Anwendungen bei denen man nicht direkt auf sie zugreifen kann, wie zum Beispiel auf Zentrifugen oder Klinostaten. Hypergravitation auf der Zentrifuge oder die Drehung um die eigene Achse im Klinostatenprinzip stellen außergewöhnliche Beanspruchungen an die mikrometergenaue Feinmechanik eines Mikroskops dar. Welche Herausforderungen gibt es bei der Anpassung eines Live-Cell Mikroskops und wie haben wir diese gemeistert? Methodik: Für Live-Cell Mikroskopie in Hypergravitation haben wir ein Zeiss Axio Observer Mikroskop mit einer kleinen Inkubationseinheit sowie motorisiertem Tisch und Definite Focus Modul ausgestattet. Für dieses Mikroskop wurde eine ausschwingende Plattform gebaut und auf einen Arm der SAHC1 (Short Arm Human Centrifuge) im DLR :envihab platziert. Vom Zentrifugenkontrollraum aus lässt sich das Mikroskop in Echtzeit bedienen und lebende Zellen bei bis zu 2g Hypergravitation betrachten. Das neue Klinostatenmikroskop hat als zentrales Element ein Keyence Fluoreszenzmikroskop, welches horizontal gelagert wird und bei 60 Umdrehungen pro min um seine eigene Achse rotiert, wobei der Strahlengang des Mikroskops und damit auch der Objektträger genau auf der Drehachse liegt, um die Probe minimalen Restbeschleunigungen auszusetzen und damit in simulierter Mikrogravitation beobachten zu können. Die komplette Mikroskopeinheit ist von einer Inkubationskammer ummantelt, so dass auch Zellkulturen bei 37 Grad C untersucht werden können. Ergebnisse: Durch das Betrachten von Zellen und Geweben in Echtzeit oder in Zeitrafferaufnahmen lassen sich vorher nie dagewesene Einblicke in Dynamiken von Zellen und deren Reaktion auf veränderte Schwerkraftbedingungen gewinnen. Die Analyse der Migrationsgeschwindigkeiten von Astrozyten (ein Typ Gliazelle im Gehirn) über 24 Stunden bei 2g Hypergravitation deutet auf kritische Zeitfenster in der Adaptation dieser Zellen auf die erhöhte Schwerkraft hin. Im Klinostatenmikroskop konnten wir u.a. die Schlaggeschwindigkeit von aus Stammzellen abgeleiteten Herzmuskelzellen in simulierter Mikrogravitation messen. Schlussfolgerungen: Durch die Kombination von Mikroskopie und Bodenanlagen können wir nun neue Einblicke in (intra-)zelluläre Dynamiken und Reizantworten unter veränderten Gravitationsbedingungen gewinnen.