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Nanotechnisch

Ein Interview mit Assistenz Professor Manish Butte, einem Benutzer von Park Systems Rasterelektronenmikroskopen

Manish Butte spricht über die kritische Rolle der Rasterkraftmikroskopie bei der T-Zell-Forschung an der Stanford School of Medicine

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Professor Manish Butte arbeitet an der Stanford School of Medicine, wo er einen Kurs in Immunologie lehrt und im Labor die Wechselwirkung zwischen Zellen und dem Immunsystem erforscht. Dabei geht es darum, fundamentale und therapeutische Fragestellungen in der Immunologie mit innovativen nanotechnologischen und biophysikalischen Ansätzen zur Visualisierung und Manipulation von Zellen aufzuklären. Ein Forschungsschwerpunkt ist das Verständnis der molekularen Kontrolle von T-Zell-Aktivierung und Toleranz. Das Ziel der Arbeit ist, T-Zell-Signalwege zur Steuerung von immunologischen Krankheiten zu kontrollieren.


Manish J Butte erhielt 5 Patente, darunter Patent im Jahr 2010 für die Arbeit mit RKM und lebenden Zellen: Manish J Butte, Marc Amor Bruce, Jianwei Liu. "United States Patent US 13/307,882 Atomic force microscope manipulation of living cells", The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University, Nov 30, 2010

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Dr. Manisch J. Butte, ist Assistenzprofessor in der Abteilung für Pädiatrie an der Stanford University. Er hat Physik an der Brown University studiert, wo er 1993 seinen Bachelor mit Auszeichnung erhielt. Danach untersuchte er mathematische neuronale Netze in der Gruppe von Prof. Leon Cooper. Im Jahr 1996 promovierte er an der Brown University School of Medicine. Unter Prof. Robert Fletterick an der UCSF studierte er Proteinkristallografie und promovierte mit einem Ph.D. in Biophysik im Jahr 2000. Seine klinische Residenz in der Pädiatrie im Kinderkrankenhaus von Philadelphia schloss er im Jahr 2003 ab. Darauf folgte ein Fellowship in Allergy & Immunology am Boston Children's Hospital im Jahr 2006, wo er sich auf die Behandlung von Kindern mit Immundefekten, Autoimmunität, autoentzündlichen Erkrankungen, Asthma und Allergien spezialisierte. Er ist Facharzt für Kinderheilkunde, Allergologie und Immunologie. Als Postdoc an der Harvard Medical School (unter Prof. Arlene Sharpe) und im Harvard Chemistry & Chemical Biology Dept. (unter Prof. George Whitesides), arbeitete er an inhibitorischen Mechanismen von T-Zellen und der Entwicklung von Mikrowerkzeugen zur Isolierung und Untersuchung von Immunzellen. Er wechselte 2009 nach Stanford, um dort sein eigenes Labor einzurichten. Seine Gruppe untersucht grundlegende, langjährige Fragen in der Immunologie mit innovativen nanotechnologischen Ansätzen zur Visualisierung und Manipulation von Zellen. Seine Gruppe erforscht den Einsatz von biologischer Rasterkraftmikroskopie zur Untersuchung der Funktion von Immunzellen. Als Arzt behandelt er Kinder und Erwachsene mit immunologischen Krankheiten im Lucile Packard Children's Hospital in Stanford und in Stanford Hospital & Clinics.



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Wie funktioniert die Identifizierung von T-Zellen in der Forschung?

T-Zellen sind die Hauptorganisatoren des Immunsystems. Sie helfen, Infektionen zu bekämpfen, indem sie die adaptive Immunantwort koordinieren. Sie haben ein "Gedächtnis", indem sie sich an vergangene Infektionen erinnern und diese beim nächsten Mal schneller bekämpfen. Dieser Gedächtniseffekt ist die Grundlage von Impfstoffen. In Organtransplantationen sind T-Zellen die Hauptursache für chronische Abstoßung und das Ziel von immunsuppressiven Medikamenten. Bei Krebs ist die Aktivierung von T-Zellen notwendig, um Tumore dauerhaft zu eliminieren. In Allergien zeigen T-Zellen einen Mangel an Toleranz und werden außergewöhnlich empfindlich gegenüber Fremdantigenen, die normalerweise ignoriert würden. Beim Altern ist die Aktivierung von T-Zellen vermindert und Infektionen sind schwerer zu bekämpfen. Je mehr wir über T-Zellen wissen, desto besser können wir diese Veränderungen diagnostizieren und Krankheiten behandeln.

 

Welchen Vorteil bietet die RKM-Technologie bei der Forschung mit T-Zellen?

Die Rasterkraftmikroskopie ist ein wichtiges Instrument für Innovation in meinem Labor. Unsere Forschung geht in Richtung Mechanobiologie. Dieses relativ neue Feld beinhaltet das Studium der Empfindung und Erzeugung von mechanischen Kräften durch Zellen. Mit Hilfe von RKM haben wir gezeigt, dass T-Zellen ihre zellulären Partnern schieben und an ihnen zerren, was auf molekularer Ebene für die Aktivierung essenziell ist. Darüber hinaus haben wir mechanische Veränderungen im Zytoskelett von T-Zellen beschrieben, einer Proteinstruktur, die es Zellen ermöglicht, sich schnell zu bewegen und den Körper auf fremde Antigene zu überwachen. Diese mechanischen Veränderungen beeinflussen die Reaktion von T-Zellen auf die Präsentation von Antigenen.

 

Können Sie beschreiben, wie Sie RKM zur Visualisierung und Manipulation von Zellen verwenden?

Wir verwenden RKM auf verschiedene Weise. In erster Linie machen wir winzige, flache Vertiefungen in den Zellen. Durch Messung des Cantilevers während der Einbuchtung können wir die Steifigkeit des Zytoskeletts an dieser Stelle der Zelle berechnen. Durch wiederholtes Messen an verschiedenen Teilen der Zelle können wir eine "Steifigkeitskarte" erstellen und Veränderungen im Zytoskelett verfolgen. Mit dem Studium von Steifigkeitskarten nach der Behandlung von Zellen mit Antigenen oder immunomodulatorischen Medikamenten können wir die Auswirkungen dieser Störungen auf den mechanischen Zustand des Zytoskeletts untersuchen. Die zweite RKM-Technik, die nach meiner Meinung von uns erfunden wurde, beinhaltet das Beladen der Cantileverspitze mit Molekülen, die Zellen aktivieren können. Wir haben zum Beispiel eine Arbeit veröffentlicht bei der wir die Spitze des Cantilevers mit antigenen Proteinen, die Mastzellen aktivieren, beladen haben. Durch das Berühren von lebenden T-Zellen und die Verbindung der Rezeptoren mit dem Liganden auf dem Cantilever bei gleichzeitiger Abbildung der T-Zellen mit einem optischen Mikroskop können wir die Interpretation molekularer Signale durch T-Zellen untersuchen. Diese biochemischen Signale können mit winzigen mechanischen Kräften durch das Rasterkraftmikroskop geliefert werden. Darüber hinaus kann das RKM die mechanische Reaktion der aktivierten Zellen messen. Diese Studien sind für uns wichtig, um grundlegende Prozesse der Aktivierung und Toleranz zu verstehen. Für andere Benutzer von RKM mag dies vielleicht eine Überraschung sein, aber wir beschäftigen uns selten mit "Topografie"!

 

Hilft der Einsatz von RKM bei T-Zellen und anderen Untersuchungen bei der Heilung und / oder Behandlung von Krankheiten?

RKM hat uns geholfen, in T-Zellen einen Zytoskelettmechanismus zu identifizieren, der die Aktivierung fördert. Wir arbeiten an der Finanzierung für die nächste Phase der Forschung, um zu testen, ob wir durch diesen Mechanismus die Entwicklung von Impfstoffen beschleunigt oder die Immunantwort bei Infektionen verstärkt werden kann.

 

Welche anderen Anwendungen für RKM gibt es in Ihrer Forschung?

Wir haben die mechanischen Eigenschaften von biologischen Hydrogelen gemessen, die in der Krebsforschung, der Kardiologie und bei Stammzellen verwendet werden. Wir haben Nanopartikel vermessen, die bei der Gentherapie verwendet werden. Wir messen das Schlagen von Herzzellen, für ein verbessertes Verständnis von pädiatrischen, erblichen Herzerkrankungen. Meine Gruppe in Stanford ist auch sehr aktiv bei der Entwicklung und Veröffentlichung neuer RKM-Techniken.

 

Welche Features von Park Systems Rasterkraftmikroskopen helfen Ihnen am meisten bei der Forschung?

Das Park NX10 Instrument hilft uns bei der Verbesserung und Innovation von RKM-Techniken. Speziell in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Olav Solgaard in Stanford haben wir eine neue Form des RKM-Cantilevers mit hoher Bandbreite entwickelt, der die oben erwähnten mechanischen Messungen um mehr als das 1000-fache beschleunigen kann! Das NX10 hat ein offenes Kopfdesign, bei dem wir Miniaturspiegel in den Lichtweg einfügen konnten. Das war entscheidend für die Funktion des Sensors.

 

Wie beurteilen Sie das Feld der Zellforschung in der Zukunft mit Hinsicht auf fortschrittliche bildgebende Geräte?

Superauflösung hat die optische Mikroskopie revolutioniert. Immer feinere, nahezu molekulare Aspekte von Zellen können dargestellt werden. RKM erhöht die Auflösung im Vergleich zu superauflösenden optischen Mikroskopen um mindestens eine Größenordnung. Mit der Fähigkeit, Chemikalien und Oberflächenmoleküle zu erfassen, vertieft RKM unser Verständnis für die Organisation der Zelloberfläche. So wie die Mechanobiologie weite Gebiete der Zellbiologie, einschließlich Krebs, Stammzellen und andere, berührt, wird RKM verstärkt zum Einsatz kommen, um die mechanischen Eigenschaften von Zellen zu messen und zu beeinflussen.

 

Welche Forschungsrichtung werden Sie speziell in der Pädiatrie einschlagen? Wird Ihre Forschung bei der Identifikation der Ursachen helfen?

Derzeit konzentrieren sich unsere RKM-Studien des Immunsystems auf die Grundlagenforschung, aber unsere Fragestellung ist durch die Kinderkrankheiten in meiner Klinik motiviert: genetische (primäre) Immunschwächen. Wir sind daran interessiert, die Krankheiten besser zu verstehen für bessere Diagnosen und eine wirksame Behandlung der Krankheit.