Ein internationales Forscherteam hat einen bemerkenswerten Durchbruch in der Mikrofabrikation erzielt: Zum ersten Mal gelang es ihnen, mithilfe einer speziellen 3D-Drucktechnik winzige Objekte – darunter einen mikroskopisch kleinen Elefanten, Barcodes und Mikrolaser – direkt im Inneren lebender Zellen zu drucken. Und das, ohne das Erbgut der Zelle zu verändern.
Diese neuartige Methode verspricht völlig neue Ansätze in der Zellforschung, zellulären Diagnostik und Biotechnologie. Im Mittelpunkt steht dabei die Fähigkeit, Objekte präzise und funktional in lebenden Zellen zu platzieren – ein bislang kaum realisierbares Ziel.
Zwei-Photonen-Polymerisation als Schlüsseltechnologie
Die Herstellung der mikroskopisch kleinen 3D-Strukturen erfolgt über die sogenannte Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP). Dabei wird ein flüssiger, biokompatibler Fotolack – ein sogenanntes Photoresist – in das Zellinnere injiziert. Durch hochfokussiertes Laserlicht, das exakt an einem Punkt zwei Photonen gleichzeitig abgibt, härtet das Material nur lokal aus. Auf diese Weise können dreidimensionale Objekte Schicht für Schicht direkt im Zytoplasma einer lebenden Zelle aufgebaut werden.
Nachdem der Druck abgeschlossen ist, wird überschüssiges Material aus der Zelle entfernt, wobei die gewünschten Strukturen zurückbleiben. Dennoch ist das Verfahren nicht ohne Risiko: Etwa die Hälfte der behandelten Zellen überlebte die Prozedur – eine erstaunlich hohe Quote angesichts der Komplexität und Empfindlichkeit lebender Zellen.
Mikrolaser als zelluläre Lichtsignaturen
Neben grafischen Strukturen wie dem 10 Mikrometer großen Elefanten experimentierten die Forschenden auch mit Mikrolasern. Diese kugelförmigen Strukturen senden bei Aktivierung Licht in einer spezifischen Farbe aus – abhängig von ihrer Größe. So könnte jede Zelle eine eigene „Lichtsignatur“ erhalten, was etwa beim Langzeit-Tracking einzelner Zellen in Forschung oder Diagnostik neue Möglichkeiten eröffnet.
Einige der modifizierten Zellen zeigten beeindruckende Resilienz: Sie konnten sich weiterhin teilen und gaben die eingebetteten Strukturen sogar an ihre Tochterzellen weiter. Dies deutet auf ein erhebliches Potenzial für zukünftige Anwendungen im Bereich der Zellmanipulation und -kennzeichnung hin.
Vision: Zellen funktional erweitern ohne DNA-Eingriff
Die Technik verspricht weit mehr als nur visuelle Markierungen. Künftig könnten mechanische Komponenten wie Hebel zur Messung intrazellulärer Kräfte oder Barrieren zur räumlichen Trennung von Zellkomponenten direkt in Zellen gedruckt werden – und das ohne genetische Veränderungen.
Allerdings bestehen noch Herausforderungen: Die Überlebensrate der Zellen muss weiter verbessert werden, und der nutzbare Zellraum ist durch die Tröpfchengröße begrenzt. Die Wissenschaftler schlagen daher die Nutzung wasserlöslicher Hydrogele vor, die sich im gesamten Zellkörper verteilen könnten und somit größere oder komplexere Strukturen ermöglichen würden.
Die vollständige Studie mit dem Titel „Two-photon 3D printing of functional microstructures inside living cells“ ist auf arXiv verfügbar.
