Eine neue Dimension der Transplantation

So wie sich der menschliche K?rper in verschiedene Organe ¨C etwa Herz, Lungen, Nieren, Darm oder Leber ¨C unterteilen l?sst, bestehen auch unsere Zellen aus mehreren, sich erg?nzenden und voneinander abh?ngigen Systemen, die in der Fachsprache als Organellen (also kleinen Organen) bezeichnet werden. Und so wie das Leben eines nierenkranken Menschen mit der Transplantation einer gesunden Niere mitunter um mehrere Jahrzehnte verl?ngert werden kann, k?nnten dereinst vielleicht einzelne Zellen mit der Transplantation von Zellbestandteilen aufgefrischt werden.

Mithilfe einer Nanospritze

Dass dieses Gedankenexperiment kein Hirngespinst ist, sondern in den Bereich des technisch Machbaren ger¨¹ckt ist, zeigen die neuen Befunde der Forschungsgruppe um Julia Vorholt vom Institut f¨¹r Mikrobiologie an der ETH Z¨¹rich. Wie die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler soeben in der Fachzeitschrift PLos Biology berichten, haben sie mithilfe einer Nanospritze, die sie zuvor entwickelt haben, Mitochondrien von einer lebenden Zelle in eine andere verpflanzt.

In diesen winzigen Kraftwerken der Zellen finden die biochemischen Prozesse der Zellatmung statt, die sich schon vor mehr als zwei Milliarden Jahren in Bakterien herausgebildet hatten. Sp?ter bildeten einige Bakterien mit anderen Zellen eine enge Gemeinschaft, eine so genannte Endosymbiose. Sie spielt in der Stammesgeschichte des Lebens auf der Erde eine zentrale Rolle: Erst sie erm?glichte die Entwicklung von Pilzen, Pflanzen oder Tieren (einschliesslich uns Menschen), die alle aus komplexen Zellen aufgebaut sind.

Wenn sich F?den in Perlenketten verwandeln

So haben sich aus den uralten Bakterien im Lauf der Zeit Mitochondrien gebildet: Organellen, die in den heutigen komplexen Zellen f¨¹r die Energiegewinnung zust?ndig sind. In menschlichen Zellen bilden Mitochondrien ein fadenartiges dynamisches Netzwerk. ?Die F?den reagieren auf Unterdruck ¨C und verwandeln sich in eine Art Perlenkette, von der sich einzelne Mitochondrien abspalten?, sagt Christoph G?belein, der Erstautor des Fachbeitrags.

Mit eigens f¨¹r diese Studie entwickelten, schr?g endenden und zylinderf?rmigen Nanopipetten stachen die Forschenden durch die Zellmembran ¨C und saugten die kugelf?rmigen Mitochondrien ein. Dann stachen sie durch die Membran einer anderen Zelle und pumpten die Mitochondrien wieder aus der Nanopipette heraus in die Empf?ngerzelle.

Die Position der Nanopipette wird vom Laserlicht eines umfunktionierten Rasterkraftmikroskops kontrolliert. Ein Druckregler passt den Fl¨¹ssigkeitsstrom an. Dadurch lassen sich w?hrend einer Organellentransplantation unvorstellbar kleine Volumen im Femtoliterbereich (das sind Millionstel eines Millionstels eines Milliliters) bewegen. ?Sowohl die Donor- wie auch die Akzeptorzellen ¨¹berleben diese minimalinvasive Prozedur?, sagt G?belein.

Verj¨¹ngung von Zellen

Auch ¨¹ber 80 Prozent der transplantierten Mitochondrien ¨¹berstehen die Operation. In den meisten Zellen beginnen die injizierten Mitochondrien nach zwanzig Minuten mit dem fadenartigen Netzwerk der neuen Zelle zu fusionieren. ?Sie werden von der Wirtszelle akzeptiert?, sagt Julia Vorholt. Nur in wenigen Zellen fallen sie der Qualit?tskontrolle der neuen Wirtszellen zum Opfer ¨C und werden abgebaut.

?In Zukunft wird die hier vorgestellte Technik Anwendungen in verschiedenen Forschungsbereichen erm?glichen?, schreiben die Forschenden. Vorstellbar sei, dass sich damit etwa Stammzellen verj¨¹ngen lassen, deren Stoffwechselaktivit?t mit zunehmendem Alter nachl?sst. Doch das Team um Vorholt verfolgt andere Pl?ne. ?Wir wollen die Prozesse verstehen, die die Zusammenarbeit der verschiedenen Zellkompartimente steuern ¨C und nachvollziehen, wie sich Endosymbiosen im Laufe der Zeit evolvieren?, sagt Vorholt.