Experiment

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. Einer diese Mechanismen sind Ionenkanäle in den Membranzellen die auf mechanische Belastungen reagieren. Thema dieses Forschungsprojektes 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 dieses Forschungsprojekt geeignete Wirtszelle ist das Ei des südafrikanischen Krallenfrosches (Xenopus laevis). Dieses eignet sich besonders gut für diesen Zweck, da dieses einfach in der Handhabung sind und darüber hinaus sehr robust und mit rund einem Millimeter Durchmesser relativ gross ist. Für die Durchführung des biologischen Experiments müssen diverse Abläufe optimiert und die Zusammensetzung der verwendeten Chemikalien bestimmt werden. Da die Messung komplett automatisch abläuft, muss das während dem Flug verwendete Protokoll ausgearbeitet und getestet werden.

 


 

Die Messkammer

Die verwende Messkammer ist eine Weiterentwicklung einer bestehenden Messkammer, die bereits erfolgreich auf Parabelflügen zum Einsatz kam. In der bisherigen Messkammer wurde das Froschei in einem kleinen Trichter aus hartem Polymethylmethacrylat (PMMA unter dem Marktname Plexiglas bekannt) gefertigt. Im neuen Design wird dieser Teil durch einen Silikonchip ersetzt. Durch diese Modifikation wird ein besseres Signal-Rausch Verhältnis erwartet. Weil Silikon nicht stabil genug ist, wird der Chip durch ein 0.3 mm dickes Glasplättchen stabilisiert. Die bisher grösste Herausforderung war das integrieren der dünnen Glasplatte in den Silikonchip, welcher mittels Giessverfahren hergestellt wird. Zum einen muss die Bohrung in der Glasplatte präzise zu dem Hohlraum im Silikonchips ausgerichtet werden. Weil das Glasplättchen häufig beim Entformungsprozess aus der Gussform zerbricht, muss das Glas zudem schon vor dem Giessen verstärkt werden.


 

Die Messung

Die in der Zellmembran eingebetteten mechanosensitiven Ionenkanäle ermöglichen Ionen die Zellmembran zu passieren. Je nachdem wie viele Ionenkanäle offene oder geschlossen sind ändert sich die elektrische Leitfähigkeit der Zellmembran. Diese Leitfähigkeit kann durch das Anlegen einer Spannung über die Zellmembran und des dazu gemessenen Stroms bestimmt werden. Derartige Messungen erfolgen üblicherweise mit Elektroden, welche durch die Zellmembran in die Eizelle gestochen werden. Für das Experiment auf der Höhenforschungsrakete wird die weniger invasive Patch-Clamp-Technik angewendet. Bei dieser Technik sitzt die Eizelle in einem Hohlraum in einem Siliziumchip mit einem kleinen Loch am unteren Ende (siehe Abbildung 1).

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Abbildung 1: Schema der Messkammer

Die Eizelle ist in einem Hohlraum in einem Silikonchip (Grün) platziert. Dieser wird durch ein Glasplättchen (dunkelgrün) stabilisiert. Ein Loch in der Glasplatte isoliert ein einer kleines Stück der Zellmembran. Mit vier Elektroden kann die Leitfähigkeit über dieses Membranstück gemessen werden. 

 

Durch einen Überdruck im oberen Bereich der Kammer wird die Eizelle an diese Öffnung gedrückt. Dabei wird die auf dem Loch liegende Membranstelle von der restlichen Zellemembran elektrisch isoliert. Die Messung der Leitfähigkeit wird nun über diese Stelle der Zellmembran durchgeführt. Zur Messung werden vier Elektroden verwendet. Die oberen zwei Regeln die Spannung über die Membran auf einen gewünschten Wert. Die beiden unteren Elektroden messen den entsprechenden Strom. Für weitere Informationen zum Messverfahren siehe Elektronik.

 

Die gemessene Leitfähigkeit hängt nicht nur von den untersuchten Ionenkanälen ab. Daher ist ebenfalls das Hintergrundsignal zu bestimmt. 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.