Forschung in der Schwebe

Am Institut für Biomedizinische Physik der Medizinischen Universität Innsbruck arbeitet die Physikerin Mia Kvåle Løvmo in der Forschungsgruppe von Monika Ritsch-Marte an einer Technologie, mit der Zellproben mit Ultraschall nicht nur schwebend gehalten, sondern auch kontrolliert bewegt werden können. Damit fügt sie ein weiteres Puzzlestück Medizin hinzu.

„Seit rund 20 Jahren gibt es einen spannenden Trend in der biologischen und medizinischen Forschung“, erklärt Mia Kvåle Løvmo, Physikerin am Institut für Biomedizin der Medizinischen Universität Innsbruck. „Früher wurde vor allem an einzelnen Zellen oder kleinen Zellgruppen und Versuchstieren geforscht. Heute rücken mehr und mehr sogenannte Organoide in den Fokus.“ Dabei züchten MedizinerInnen und BiologInnen „Klumpen“ aus spezifischen Zellen. So entstehen „Mini-Organe“ oder können Tumore nachgezüchtet werden, die genetisch identisch mit denen eines Patienten sind. An ihnen werden Behandlungsmethoden erprobt, um den individuell besten Weg zu finden, um eine Erkrankung oder einen Krebs zu heilen.

Dritte Dimension

„Das war ein großer Schritt“, erklärt Løvmo. Allerdings stellte er die ForscherInnen vor neue Herausforderungen: Damit die Mini-Organe und -Tumore sich in einer möglichst natürlichen Umgebung befinden, sollten sie nicht auf einer flachen Oberfläche, sondern in drei Dimensionen wachsen – gleich wie im Körper. Bislang wurden sie dazu in Gelen gezüchtet. Eine optimale Lösung ist das aber nicht. Denn die Gele interagieren mit den Zellen und können das Resultat beeinflussen. Dies ist eines der Probleme, dem sich Løvmo im Rahmen eines interdisziplinären und vom österreichischen Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung unterstützten Projekts widmet. Im Spezialforschungsbereich „Tomography across the scales“ befassen sich WissenschaftlerInnen mit tomografischen Verfahren – also Methoden, wie aus vielen Aufnahmen aus unterschiedlichen Winkeln ein gesamtes Bild zusammengesetzt werden kann – in allen Größenordnungen, von der Astrophysik und ganzen Sternsystemen bis hin zu einzelnen Molekülen.

Akustische Levitation

Løvmos Forschung unter der Leitung von Monika Ritsch-Marte, der Direktorin des Instituts für Medizinische Physik an der Medizinischen Universität Innsbruck, bewegt sich dazwischen, auf der Ebene von Zellen und Zellclustern. Um diese besser von allen Seiten betrachten und manipulieren zu können, ohne sie zu beeinflussen oder zu beschädigen, hat sie eine Methode für Versuche an Organoiden weiterentwickelt, die diese in einer Nährlösung schweben lässt. Dazu nutzt sie Schallwellen und ermöglicht so „akustische Levitation“. „Wir setzen sogenannte Piezo-Elemente ein, kleine Bauteile, die durch Strom zum Schwingen in sehr hohen Frequenzen gebracht werden können.“  Im rechten Winkel angeordnet und richtig aufeinander abgestimmt erzeugen diese Schallwellen, die gleichmäßig Druck auf die Probe in ihrer Mitte ausüben und sie so in der Schwebe halten. Mehr noch: Durch Änderungen der Schallfrequenz und -intensität kann das Forschungsobjekt kontrolliert um eine gewünschte Achse gedreht werden – ohne Gefahr, die fragilen Zellen durch Berührungen zu beschädigen oder zu kontaminieren.

Durchblick

Das soll nicht nur das Züchten und die Lagerung der Organoide deutlich verbessern, sondern hilft auch dabei, sie zu erforschen. Denn damit die Mini-Organe so funktionierten wie ihr Vorbild, müssen sie relativ groß sein – oft im Millimeter-Bereich. „Und das macht es schwierig, in ihr Inneres zu blicken“, erklärt die gebürtige Norwegerin. „Mikroskope können nur wenig Zellschichten durchdringen. Daher ist es wichtig, Proben aus mehreren Richtungen zu durchleuchten. Dann können die inneren Strukturen rekonstruiert werden, in etwa wie in der Computertomographie.“

Langzeit-Beobachtung

In der Praxis musste man dafür die Organoide bisher „opfern“: Es werden beispielsweise zehn Mini-Kopien eines Tumors gezüchtet und unterschiedlichen Behandlungen ausgesetzt. „Dann müssen die MedizinerInnen entscheiden, zu welchem Zeitpunkt sie die Kulturen sezieren und in Scheiben schneiden“, beschreibt sie. „Damit bekommen sie nur eine Momentaufnahme und können nicht beurteilen, wie sich die Maßnahmen weiter entwickeln würden.“ In Løvmos Kammer können die Proben dagegen frei gedreht und gewendet und von allen Seiten durchleuchtet werden. Das hat auch den Vorteil, dass die teure Hardware stillsteht, was den Vorgang deutlich einfacher macht. „Anders als bei einem Computertomografen, bei dem PatientInnen still liegen, während das bilderzeugende Modul um sie herum kreist, können wir so das Objekt selbst bewegen. Das macht das System nicht nur weniger komplex und billiger, sondern erleichtert auch die Handhabung deutlich.“

Software-Unterstützung

Um aus den zweidimensionalen Aufnahmen aus dem Inneren eines Organoids ein dreidimensionales Bild zu rekonstruieren, wäre es eigentlich wichtig zu wissen, aus welchem Winkel die Durchleuchtung stattgefunden hat. Weil jede der Zellproben aber eine einzigartige Form und Struktur hat, die ihre Position beeinflussen, ist der genaue Blickwinkel nicht bekannt. Dieses Problem löst eine weitere Entwicklung von Ritsch-Martes Team: Der Physiker Simon Moser hat einen Algorithmus entwickelt, der nicht nur die dreidimensionale Form und Struktur des Organoids findet, sondern auch seine genaue Lage im Raum. „Das war alles andere als trivial“, erklärt Løvmo. „Aber mit der cleveren Software können wir herausfinden, um wie viel und in welche Richtung sich das Objekt zu jedem Zeitpunkt bewegt hat, während es im akustischen Kraftfeld rotiert.“ So entstehen gestochen scharfe Tomografie-Aufnahmen aus dem Inneren der Proben.

Schrittweise Entwicklung

„Unsere Technologie ist nur ein kleines Puzzle-Teil“, meint Løvmo. „Aber sie ist ein weiterer Schritt in eine Richtung, in der nicht nur weniger Versuchstiere eingesetzt werden müssen, sondern in der wir auch noch präzisere, noch bessere Modelle zur Verfügung haben, mit denen wir individueller behandeln können.“ Längerfristig könnte das so aussehen, dass Organoide von Patientinnen mit komplexeren Erkrankungen gezüchtet, in der Schwebe gehalten und immer wieder untersucht werden, während sie auf unterschiedliche Weisen behandelt werden, bis die optimale Therapie gefunden ist. „Damit ist es uns gelungen, eine Lösung für gleich mehrere wichtige Probleme auf dem Weg zu einer individuellen und personalisierten Medizin zu entwickeln.“

Zur Person

Mia Kvåle Løvmo hat Nanotechnologie mit einem Fokus auf Bionanotechnologie in Trondheim studiert und ihr PhD-Studium an der Medizinischen Universität Innsbruck abgeschlossen. Aktuell ist sie dort als PostDoc tätig und setzt ihre Arbeit im Bereich der akustischen Mikro-Manipulation fort.