Silke Müller und die schwebenden Zellen

Auch Silke Müller ist dieses Jahr beim Lindauer Nobelpreisträgertreffen. Sie arbeitet im Rahmen des interdisziplinären Space Life PhDProgramms des Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt am Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin in Köln. Dort promoviert sie über Makrophagen in simulierter Schwerelosigkeit.

Silke Müller am Klinostaten. Bild: DLR

Frau Müller, woran arbeiten Sie gerade?

Ich untersuche Makrophagen in einem Klinostaten, das ist ein Simulator für Schwerelosigkeit, Die Zellen werden um ihre eigene Achse gedreht, so dass sie nicht sedimentieren sondern sich die ganze Zeit im freien Fall befinden, als Modell für Schwerelosigkeit. Danach schaue ich mir dann die RNA- und Protein-Expression an.

Also so eine Art Parabelflug für einzelne Zellen?

Ja. Das Problem beim echten Parabelflug ist, dass man immer nur 20 Sekunden Schwerelosigkeit hat und es wechseln sich dann auch noch die Phasen mit 1,8 g ab, in denen man mit dem fast doppelten Gewicht zu Boden gedrückt wird. Das Problem ist einerseits, dass man diese Einflüsse nicht richtig trennen kann, dass man beide Effekte sieht, und dass meine Zellen auch nicht so schnell reagieren. Deswegen rotieren die auf dem Klinostaten immer für mehrere Stunden, weil ich in zwanzig Sekunden einfach keine Antwort der Proteinexpression sehe.

Und was für eine Antwort sehen Sie?

Ich schaue mir die regulatorischen Proteine für den Salzhaushalt an, ich bin aber noch nicht zu einem endgültigen Ergebnis gekommen.

Welche Bedeutung hat die Salzregulation der Makrophagen für den menschlichen Körper?

Das ist ein relativ neu entdeckter Mechanismus um Salz, das bei hoher Zufuhr in der Haut gespeichert wird, wieder zu entfernen. Es gibt dabei wahrscheinlich auch eine Verbindung zum Bluthochdruck. Das ist ein sehr spannendes Forschungsfeld, weil es ja auch den salzsensitiven Bluthochdruck gibt: Wenn man zu viel Salz isst steigt der Blutdruck. Wir haben bei uns im Institut einerseits Salzbalance-Studien gemacht, um uns die Anreicherung in der Haut anzuschauen, und ich arbeite andererseits am molekularen Ansatz.

Haben Sie vor, Ihre Experimente irgendwann auf der ISS in echter Schwerelosigkeit weiterzuführen?

Ja, das wäre natürlich spannend, auch wenn man von einem Astronauten mal ein paar Blutproben kriegen könnte, aber das ist natürlich extrem schwierig und extrem langfristig. Um wirklich ein Experiment auf der ISS zu haben braucht man schon einige Jahre Zeit um das zu planen und all die erforderlichen Schritte und Tests einzuleiten um sicherzugehen dass das auch wirklich funktioniert. Das lässt sich im Rahmen einer Doktorarbeit nicht durchführen. Das Problem ist auch, dass man nicht weiß was dabei rauskommt, dann gibt es mal Schwierigkeiten mit dem Datentransfer und man hat nachher keine Ergebnisse. Deswegen geht das bei der Doktorarbeit nicht aber mit Glück, dass ich an dem Thema weiter forschen kann und dann mal etwas in der Richtung unternehme. Es gibt auch die Möglichkeit, auf einem russischen Forschungssatelliten etwas zu machen, der dann mehrere Tage iim All und schwerelos ist.

Wie ist es dazu gekommen, dass Sie jetzt nach Lindau fahren?

Ich hatte das Glück, dass ich mich über die Professor-Rhein-Stiftung der Stadt Königswinter bewerben konnte, bei der ich Stipendiatin bin. Dort gibt es regelmäßige Treffen, und einige frühere Stipendiaten sind auch nach Lindau gefahren, die haben davon dann in den höchsten Tönen geschwärmt. Ich habe schon vor ein paar Jahren versucht mich für das Nobelpreisträgertreffen zu bewerben, aber da war ich erst am Anfang meines Studiums und da hat das natürlich noch nicht so viel Sinn gemacht. Deswegen bin ich ganz froh dass das jetzt geklappt hat.

Sie haben sicher schon geguckt, welche Nobelpreisträger dieses Jahr in Lindau sind. Auf wen sind Sie am meisten gespannt?

Schwierig. Eigentlich ist ja jeder für sich ein spannender Wissenschaftler mit seiner eigenen Geschichte. Da kann ich eigentlich gar nicht so sagen auf wen ich mich am meisten freue. Man denkt ja irgendwie eher an jemanden der dem eigenen Forschungsgebiet auch nah ist, aber andererseits geht es ja auch darum, sich zu vernetzen und auszutauschen und jemand, der aus einem weiter entfernten Feld kommt hat vielleicht einen ganz anderen Blickwinkel auf meine Forschung und kann mir neue Einblicke geben.

Vielen Dank für das Interview.

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7 comments on “Silke Müller und die schwebenden Zellen

  • Wie man auch auf der Erde die Sedimentation der Zellen verhindern kann.

    Man setzt dem Kulturmedium eine Substanz zu, die biologisch inert ist,
    die makromolekular ist, die daher einen geringem osmotischen Druck hat,
    und die die Dichte des Kulturmediums so weit erhöht, dass die Zellen
    gerade schweben.

    In Frage kommen Ficoll-Paque, Lymphoprep, oder Agarose, die auch die
    Viskosität erhöht.

    Ficoll-Paque und Lymphoprep enthalten als die Dichte erhöhende
    Komponente Ficoll 400.

    Ficoll 400 ist der Handelsname für ein synthetisch hergestelltes
    Polysaccharid aus Saccharose und Epichlorhydrin, das sich leicht
    in Wasser löst.

    Es ist neutral und stark verzweigt, und hat ein Molekulargewicht
    von 400000 Dalton.

    Lösungen mit einer Konzentration von 0,5 g/ml (= 50 w/v %) erreichen
    eine Dichte-Erhöhung auf rund 1,2 g/ml.

    Das liegt auf jeden Fall oberhalb der Dichte der Zellen.

    Natürlich muss man in diesem Falle mit dem halben Volumen von doppelt
    konzentriertem Kulturmedium beginnen, nach dem Lösen des Ficoll 400
    mit destilliertem Wasser auffüllen, und steril filtrieren.

    Wenn man später die Zellen durch Zentrifugation gewinnen will,
    dann muss man natürlich mit gewöhnlichem Kulturmedium stark verdünnen.

    Anfangs weiss man ja noch nicht, welche Dichte die Zellen haben.

    Man erzeugt mit dem 50 w/v % Ficoll 400 enthaltenden Kulturmedium
    und mit dem gewöhnlichem Kulturmedium einen linearen Dichtegradienten
    von rund 1,2 g/ml auf rund 1 g/ml, in dem natürlich alle anderen
    Komponenten des Kulturmediums an jeder Stelle die gleiche Konzentration
    haben müssen.

    Die Zellsuspension in gewöhnlichem Kulturmedium wird, in Bezug auf
    die Zellen, in konzentrierter Form und in wenig Volumen über die
    Oberfläche des Dichtegradienten geschichtet.

    Unter dem Einfluss der Erdschwerkraft sinken nun alle Zellen genau an
    jene Stelle des Dichtegradienten, an der dieser genau ihre Dichte hat.

    Das ist im Prinzip eine isopyknische Zentrifugation bei nur 1 g Beschleunigung.

    Was auch immer die Zellen für unterschiedliche idividuelle Dichten haben,
    nach einiger Zeit sind sie völlig schwerelos und frei von Scherungs-Kräften.

    Das wäre doch ein schönes Experiment für Biologie-Studenten oder -Studentinnen.

    Animation eines einfachen Dichtegradienten-Mischers für lineare Dichtegradienten:

    http://members.chello.at/….bednarik/GRAMISCH.gif

    Wenn diese Animation nicht läuft, dann liegt es an den Einstellungen
    der persönlichen Firewall.

    Zur Gewinnung von weissen Blutzellen wird oft ein Stufengradient
    von Ficoll 400 verwendet.

    Um den Einfluss des Ficoll 400 enthaltenden Kulturmediums auf die Zellen
    ausschliessen zu können, wird eine Vergleichskultur mit der gleichen
    Konzentration von Ficoll 400 permanent geschwenkt, um Scherkräfte zu erzeugen.

    Zwei weitere Vergleichsproben der Zellen werden ohne Ficoll 400 in
    Kulturmedium in einem Klinostaten gedreht, beziehungsweise in einem
    Kolben stehen gelassen.

    Reply
  • Ob die Zellen in einem dichten Medium hängen oder auf dem Boden liegen bleibt sich völlig gleich. Es geht hier um den freien Fall und die damit einhergehende Mikrogravitation.

    Reply
  • Ich gebe zu bedenken, dass die einzelnen Moleküle der Zelle ebenfalls in eine Flüssigkeit von ähnlicher Dichte eingebettet sind, das Zytosol.

    Um zum Beispiel Proteinmoleküle sedimentieren zu lassen, benötigt man ziemlich hohe Beschleunigungswerte.

    Bei nur 1 g Beschleunigung diffundieren auch die Proteinmoleküle problemlos nach oben, falls oben weniger von ihnen als unten vorhanden sind.

    Die einzigen Ausnahmen sind Fetttröpfchen und Stärkekörner, die schon bei 1 g in der Zelle nach oben steigen, beziehungsweise nach unten sinken.

    Reply
  • In einem Klinostaten werden die Zellen regelmässig auf den Kopf gestellt, so dass sich die Zellorganellen nicht nach der Gravitation ausrichten können.

    Im turbulenten Blutstrom werden die Zellen noch viel häufiger auf den Kopf gestellt.

    Jene weissen Blutzellen, die eine Eigenbewegung aufweisen, zeigen bei ihren Bewegungen laminare Strömungsmuster in ihrer Zellmembran und in ihrem Zytoplasma, die ihre Organellen ebenfalls durcheinander mischen.

    Die eigenbeweglichen Zellen rollen sozusagen über die festen Oberflächen, wobei immer ein Teil ihrer Zellmembran an der Oberfläche haftet.

    Ich frage mich deshalb, woran die einzelnen Zellen unter diesen Bedingungen erkennen, wo oben und unten ist.

    Die Makrophagen zeigen eine sehr starke Adhäsion an feste Oberflächen, so dass sie im Normalfall niemals frei schwimmend vorkommen.

    Vielleicht stören sich die Makrophagen im Klinostaten einfach daran, dass sie nicht mit einer Oberfläche interagieren können.

    Von Polystyrolflächen kann man die Makrophagen nur mit Hilfe von Trypsin abbekommen, was nicht sehr schonend ist, aber oft gemacht wird.

    Erst die zu dendritischen Zellen ausgereiften Makrophagen gehen freiwillig unter physiologischen Bedingungen vom Polystyrol ab.

    Video, Chemotaxis of dendritic cells:

    http://www.youtube.com/watch?v=kORK7B9C5VI

    Video, Chemotaxis of granulocytes:

    http://www.youtube.com/watch?v=xmKrJjJd72M

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  • Vielleicht stören sich die Makrophagen im Klinostaten einfach daran, dass sie nicht mit einer Oberfläche interagieren können.

    Man könnte versuchen, den Makrophagen im Klinostaten kleine Polystyrolkügelchen zuzusetzen, an die sich die Makrophagen anheften können, und die ebenfalls durch die Rotation des Klinostaten in der Schwebe gehalten werden.

    Die Ergebnisse dieses Versuchs könnte man dann mit Makrophagen aus bei 1 g ruhenden Polystyrolschalen vergleichen.

    Reply
  • Das sind natürlich völlig berechtigte Einwände. Wie genau die Makrophagen Schwerkraft im dynamischen Blutfluss “wahrnehmen” und welchen Einfluss die fehlende Adhäsion haben, muss man für solche Forschungen wahrscheinlich erstmal klären, oder zumindest als Confounder ausschalten. Ob die beteiligten Forscher das gemacht haben (und wie), weiß ich natürlich nicht, aber die Erfahrung lehrt, dass Wissenschaftler die an sowas arbeiten, derartige Einflüsse auf dem Schirm haben.

    Ich werde die Forscherin mal fragen ob sie Lust hat, hier in den Kommentaren etwas dazu zu sagen.

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