12.08.09 Einfache Herstellung künstlicher Lipid-Membranen mit eingebauten Proteinen als Vorstufe künstlicher Zellen

Auf dem Weg zu künstlichen Zellen

Herstellung einheitlicher, unilamellarer Vesikel mit Mikrofluidik

Sanft dem Strom hinab: Mit einer Mikrofluidiktechnik werden in einem kontinuierlichen Fluidstrom monodisperse unilamellare Phospholipidvesikel aus einer einzigen Doppelschicht erzeugt (siehe Bild). Da die Vesikel robust sind und effizient eine Vielzahl an Molekülen in hohen Konzentrationen einkapseln, eignen sie sich als Transportvehikel und als Modelle für Zellsysteme.
Quelle: Angew. Chem.

In Kosmetika schleusen Lipid-Vesikel, auch Liposomen genannt, Wirkstoffe effektiv durch die Haut. Sie werden aber auch verwendet, um pharmazeutische Wirkstoffe einzukapseln und am vorgesehenen Wirkungsort freizusetzen. In der Technik nutzt man sie als winzige biochemische Reaktoren, und für die Forschung dienen sie als Modelle für Biomembranen und Zellen. Ein Team um Shoji Takeuchi von der Universität Tokio (Japan) hat nun eine einfache, sehr effiziente Methode zur Herstellung von Vesikeln entwickelt. Wie es in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichtet, basiert sie auf einer mikrofluidischen T-Verzweigung.

Für die genannten Verwendungszwecke braucht man unilamellare Vesikel, das heißt, die Vesikelmembran soll aus einer einzelnen Lipiddoppelschicht bestehen. Die Vesikel sollen zudem einheitlich groß sein - in etwa so groß wie eine natürliche Zelle. Zudem müssen die gewünschten Inhaltsstoffe effektiv eingekapselt werden. Damit eine ausreichende Beladung stattfinden kann, müssen die Substanzen in hochkonzentrierter Lösung eingesetzt werden. Bisherige Produktionsmethoden können meist nicht allen diesen Anforderungen gleichermaßen gerecht werden oder sind sehr aufwändig.

Das japanische Team hat nun eine neue Methode entwickelt, die einfach ist und trotzdem alle Wünsche erfüllt. Erfolgsgeheimnnis ist eine mikrofluidische Technik: Sehr kleine Flüssigkeitsvolumina werden dabei durch winzige Kanälchen geleitet. Dabei lassen sich Effekte erzielen, die in größeren Systemen nicht vorkommen. Das Mikrofluidik-System der Wissenschaftler besteht aus einem Hauptkanal, von dem viele feine Seitenkanäle abzweigen (T-Verzweigungen), die im Kontaktbereich zu kleinen Kammern erweitert sind. Als erstes wird Wasser eingeleitet, anschließend eine Lösung von Lipiden in Öl, dann wieder Wasser. Wenn das Öl das Wasser bzw. das Wasser das Öl aus dem Hauptkanal spült, bleibt jeweils ein Rest in den Kämmerchen zurück. So entsteht ein feiner Ölfilm, an dessen beiden Grenzflächen zum Wasser sich Lipidmoleküle zu einer Monoschicht anordnen. Das tun sie, denn Lipide bestehen aus einem wasserfreundlichen und einem fettfreundlichen Teil. Eine leichte Strömung aus den Seitenkanälchen und die gleichzeitige Strömung durch den Hauptkanal schiebt den Ölfilm aus der Kammer und drückt ihn zusammen, so dass sich die beiden Lipid-Monoschichten zu einer Doppelschicht vereinen. Dieser Lipid-Film bildet dann eine Ausbuchtung weit in den Hauptkanal hinein und folgt der Fließrichtung. Hindernisse sorgen dafür, dass sich die Ausbuchtung zu einem abgeschlossenen kugelförmigen Vesikel abschnürt. So entstehen einheitlich große Vesikel. Durch die winzigen Volumina wird der Verbrauch an Wirkstoffen bzw. Reagenzien reduziert und ein hoher Durchsatz erreicht.

Den Forschern gelang es zudem, Proteine in die Lipid-Membran einzubauen, die Poren bilden, und ein komplettes Genexpressionssystem einzukapseln. Das sind die ersten Schritte in Richtung der Entwicklung künstlicher Zellen.

Quelle:

Microfluidic Formation of Monodisperse, Cell-Sized, and Unilamellar Vesicles
S. Ota, et. al., Angew. Chem. 2009, DOI: 10.1002/ange.200902182

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Einfache Herstellung künstlicher Lipid-Membranen mit eingebauten Proteinen als Vorstufe künstlicher Zellen
(URL: https://www.organische-chemie.ch/chemie/2009/aug/vesikel.shtm)

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