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Knorpelzellen unter simulierter Schwerelosigkeit
Da Knorpel ein äusserst schlechtes Heilungsvermögen haben, sind Behandlungen von Osteoarthrose und sonstige Schäden am Knorpel (z. B. durch Unfälle) langwierig und führen oft nicht zu einer kompletten Genesung. Eine mögliche Behandlungsmethode ist, dem Patienten ein Stück Knorpel zu entnehmen, die Knorpelzellen in Kultur zu vermehren und anschliessend dem Patienten wieder einzupflanzen. Leider durchlaufen die Knorpelzellen (Chondrozyten) in Kultur einen Adaptationsprozess, welcher auch Dedifferenzierung genannt wird. Bei diesem verlieren die Zellen die Eigenschaft, hochwertigen Knorpel herzustellen. Weltraumexperimente und Experimente unter simulierter Schwerelosigkeit mit sogenannten Random Positioning Machines (RPM) lassen vermuten, dass die Dedifferenzierung verlangsamt erfolgt. Wir untersuchen, ob sich unsere Vermutung bestätigen lässt und was die darunterliegenden biologischen Mechanismen für ein solches Verhalten sein könnten.
Mechanosensitive Ionenkanäle
Regelmässige mechanische Stimulation, respektive Bewegung, ist essenziell für die menschliche Gesundheit. Zu wenig mechanische Belastung des menschlichen Körpers hat drastische Auswirkungen, wie bei Astronauten und bettlägerig Patienten beobachtet werden kann. Biologische Zellen haben verschiedene Mechanismen mit denen sie mechanische Kräfte erfassen können. Wie genau diese Kräfte von den Zellen detektiert werden ist jedoch noch unbekannt. Bisherige Studien haben gezeigt, dass mechanosensitive Ionenkanäle mitverantwortlich sein könnten. Diese öffnen sich unter mechanischer Belastung und erlauben einen Ionenfluss durch die Zellmembran. Thema dieser Forschung ist die Untersuchung solcher mechanosensitiven Ionenkanäle unter normaler Schwerkraft und Schwerelosigkeit. Dieses Vorgehen ist vielversprechend um Hinweise zu finden, wie Zellen externe Kräfte wahrnehmen können. Um dies zu untersuchen, brauch es eine Wirtszelle, die eine grosse Menge solcher Ionenkanäle exprimiert. Eine für dafür geeignete Wirtszelle ist das Ei des südafrikanischen Krallenfrosches (Xenopus laevis). Am Kompetenzcenter entwickelten wir eine Anlage, die erlaubt solche elektrophysiologische Messungen unter verschiedenen Gravitationsbedingungen durchzuführen.
Random Positioning Machine
Die «Random Positioning Machine» (RPM) wird verwendet, um biologische Proben simulierter Schwerelosigkeit auszusetzen. Um diese zu erzeugen werden die Proben permanent gedreht. Die Drehbewegung wird über Algorithmen so gesteuert, dass über längere Zeit gemittelt der Gravitations-Vektor in alle Raumrichtungen gleich lang auf die Proben einwirkt.
Ground Based Facilities
Elektrophysiologie
Zellen können äussere Krafteinwirkungen unter anderem mit Hilfe von mechanosensitiven Ionenkanälen erfassen. Der Ionenstrom durch diese Kanäle kann mit Hilfe von elektrophysiologischen Messungen bestimmt werden. Wir führen diese Untersuchung an Eiern (Oozyten) des südafrikanischen Krallenfrosches durch, die eine grosse Menge solcher Ionenkanäle bilden. Abhängig von der Öffnungswahrscheinlichkeit der Ionenkanäle, ändert sich die elektrische Leitfähigkeit der Zellmembran.
Die vom Kompetenzzentrum entwickelte Anlage beinhaltet unter anderem eine spezielle Messkammer, die solche elektrophysiologischen Messungen unter verschiedenen Gravitationsbedingungen erlauben. Die Eizelle wird dabei in einem Hohlraum in einem Silikonchip platziert. Eine kleine Öffnung an der unteren Seite des Hohlraums isoliert ein kleines Stück der Zellmembran. Mit vier Elektroden kann die Leitfähigkeit über dieses Membranstück gemessen werden. Da die gemessene Leitfähigkeit nicht nur von den untersuchten Ionenkanälen abhängt, muss ebenfalls das Hintergrundsignal bestimmt werden. Die isolierte Membranstelle befindet sich in Kontakt mit einem Mikrofluidik-Chip, mit Hilfe dessen drei verschiedene Flüssigkeiten auf die Zellmembran angewendet werden können. Durch das Anwenden von pharmakologischen Wirkstoffen können die Ionenkanäle spezifisch blockiert werden. Daraus lässt sich das Hintergrundsignal bestimmen. Durch die anschliessende Subtraktion der Messung mit Blocker von der Messung ohne Blocker kann die eigentliche Leitfähigkeit über die Ionenkanäle bestimmt werden.