Bayreuther Forschung So lassen sich kranke von gesunden Zellen trennen

Prof. Walter Zimmermann und die Bayreuther Physik-Doktoranden Matthias Laumann und Winfried Schmidt (von links). Foto: Christian Wißler.

BAYREUTH. Physiker, die sich mit Blutzellen befassen? Das geschieht mittlerweile weltweit. Und auch an der Universität Bayreuth ist die Biophysik im Aufwind.

Denn auch Physiker setzen sich mit Fragen der Lebenswissenschaften auseinander. Prof. Walter Zimmermann und die Physik-Doktoranden Matthias Laumann und Winfried Schmidt haben mit Forschern aus Grenoble und Jülich kranke und gesunde Zellen untersucht. Blut- und Körperzellen unterscheiden sich zum Beispiel bei Krebs durch ihren Härtegrad. Auch bei Malaria lassen sie sich durch einen bestimmten physikalischen Effekt voneinander trennen. Dabei geht es um Strömungen in Mikrokanälen. Das sind winzige Kanäle mit einem Durchmesser von zehn bis 500 Mikrometern.

"Da unsere Einsichten auf elementaren physikalischen Prinzipien beruhen, würden sich Mediziner oder Ingenieure schwer tun, auf so etwas zu kommen", sagt Zimmermann, Inhaber des Lehrstuhls Theoretische Physik I. Daher biete sich eine fächerübergreifende Zusammenarbeit an. Zur physikalischen Grundlagenforschung komme das notwendige Wissen aus Biologie und Medizin hinzu.

Anwendungen in der Medizin

Das internationale Forschungsteam unter der Leitung von Zimmermann veröffentlichte seine Erkenntnisse vor kurzem in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“. Dafür mussten ein Auswahlverfahren und eine Begutachtung überstanden werden. Für die Forscher stellt sich jetzt die Frage, welche medizinischen Anwendungen daraus folgen könnten. „Wir würden uns freuen, wenn unsere Publikation Experimente anregt, in denen andere Forschungsgruppen weitere spannende Anwendungspotenziale in und außerhalb der Medizin entdecken“, sagt Zimmermann.

Wenn Blutzellen, Körperzellen oder weiche Kapseln in der Strömung einer wässrigen Flüssigkeit durch Mikrokanäle mit geradlinigen Seitenwänden hindurchgeleitet werden, werden sie durch die Strömung in eine Drehbewegung versetzt. Dadurch bewegen sie sich auf die Kanalmitte wie auf eine imaginäre Anziehungslinie zu. An dieser Linie wandern dann alle Teilchen – unabhängig von ihrer Härte oder Größe – entlang.

Teilchen wandern unterschiedlich

Entscheidend ist dabei, dass die weichen Teilchen ihre Form unter dem Einfluss der Druck- und Strömungsverhältnisse im Kanal ändern. „Wir waren daher neugierig darauf, wie sich weiche Teilchen verhalten, wenn sie in Strömungen durch Mikrokanäle mit welligen Wänden wandern", erklärt Zimmermann. "Diese Kanäle haben eine symmetrische Form, weil sie eine gerade Längsachse haben, während ihr Durchmesser abwechselnd kleiner und größer wird. Zuvor war noch nie untersucht worden, wie sich die Wanderungsbewegungen von Teilchen unter diesen Verhältnissen ändern.“

In den Kanälen mit gewellten Seitenwänden entsteht nicht nur in der Kanalmitte eine Linie. Es bilden sich noch zwei weitere Anziehungslinien. Diese befinden sich zwischen der Kanalmitte und den beiden Seitenwänden und verlaufen parallel zu den Seitenwänden ebenfalls wellenförmig. Weichere Kapseln bewegen sich in der Strömung zur Kanalmitte und wandern auf dieser Längsachse voran. Härtere Kapseln dagegen schwenken auf die wellenförmigen Anziehungslinien ein.

Krankheiten frühzeitig erkennen

„Aufgrund dieser grundlegenden physikalischen Entdeckung wollten wir herausfinden, ob sich daraus Anwendungen für die Medizin ableiten lassen, und haben das Verhalten von härteren und weicheren roten Blutzellen untersucht“, sagt Winfried Schmidt, Doktorand im Elitestudienprogramm Biological Physics in Bayreuth. Denn bei Malaria, Krebs oder Diabetes mellitus ändere sich die Härte von Zellen. Je nach Erkrankung sind kranke Zellen entweder härter oder weicher als gesunde Zellen. Nach Ansicht der Wissenschaftler könnten somit Rückschlüsse auf den Schweregrad der Krankheit und ihre Merkmale gezogen werden.

Ohne moderne Computer und Großrechner wären die Forscher indes nicht so weit gekommen. „Unsere Resultate haben wir durch theoretische Überlegungen und Berechnungen sowie durch Computersimulationen erzielt", sagt Physik-Doktorand Matthias Laumann, Erstautor des Fachartikels. Er stammt aus dem Odenwald und blieb nach dem Studium in Bayreuth. Zweimal war er bereits zu Forschungsaufenthalten in Grenoble. Der Oberfranke Winfried Schmidt kommt aus Hohenberg an der Eger und verbrachte ein halbes Jahr in den USA. Beide sind Mitglied im Deutsch-Französischem Graduiertenkolleg "Living Fluids".

Die Bayreuther Physik schneidet in Rankings häufig sehr gut ab, sagt Zimmermann, der sich stark für den Nachwuchs im Fach Physik einsetzt. Nach Angaben der Deutschen Physikalischen Gesellschaft sind fast 90 Prozent aller Physikstudenten mit ihrer Studienwahl zufrieden. Physiker sind begehrte Fachkräfte in einem Hochtechnologieland wie Deutschland.

 

1 Kommentar

Kommentieren

  1. Passwort vergessen?
  2. * = Pflichtfeld
Sie haben noch keinen Benutzer-Zugang? Jetzt registrieren!

Wenn Sie einen Kommentar verfassen, so wird dieser unter Ihrem Klarnamen, also dem von Ihnen angegebenen Vor- und Nachnamen veröffentlicht. Sollte Ihr Kommentar nicht sofort erscheinen, bitten wir Sie um etwas Geduld. Wir behalten uns vor, Kommentare vor der Veröffentlichung zu prüfen. Bitte beachten Sie hierzu auch unsere Netiquette.

loading