Insektenzellen als Sensoren für Umweltgifte

Der weltweit zunehmende Bedarf an pflanzlichen Lebensmitteln verlangt den Einsatz von Pflanzenschutzmitteln (Pestiziden), um Kulturpflanzen und Pflanzenerzeugnisse vor Schaderregern zu schützen. Ohne gezielte Pflanzenschutzmaßnahmen sind sichere und qualitativ hochwertige Ernten nicht möglich. Demgegenüber steht der Befund, dass der großflächige Einsatz von Pestiziden mit insektizider Wirkung zu einer signifikanten Reduktion von Insekten geführt hat. Insbesondere der Rückgang der Wildbienenpopulation stellt eine Problematik dar, da Wildbienen einen nicht unerheblichen Teil der Bestäubungsleistung erbringen und somit für landwirtschaftliche Erträge eine Voraussetzung sind. 

Dieses Dilemma zwischen notwendigem Pflanzenschutz und Schutz der Insekten scheint nur dadurch lösbar, dass Pflanzenschutzmittel entwickelt werden, die keine insektizide Wirkung haben. Um eine solche Entwicklung neuer „bienenfreundlicher“ Pestizid-Wirkstoffe zu unterstützen, arbeiten die Fraunhofer EMFT Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an der Entwicklung einer Sensorik zur Identifizierung von „bienenfeindlichen“ Substanzen bereits in den frühen Entwicklungsphasen neuer Wirkstoffe. Es ist das Ziel, dass diese Sensorik die insektizide Wirkung durch sehr kurze Reaktionszeiten innerhalb weniger Stunden anzuzeigen vermag und dabei viele Substanzen parallel untersucht werden können.

Das Grundkonzept basiert auf der Verwendung von Insektenzellen als Sensoren. Die aus Insekten isolierten Zellen lassen sich im Labor beliebig vervielfältigen und stehen darum unbegrenzt zur Verfügung. Die nur wenige Mikrometer großen Zellen verfügen über den für die jeweiligen Insekten charakteristischen Stoffwechsel und können bei Kontakt mit einem potentiellen Wirkstoff dessen Beeinflussung des Zellstoffwechsels anzeigen. Zur Durchführung der Messungen werden die suspendierten, vereinzelten Insektenzellen in Gefäße überführt, die am Boden über Mikroelektroden verfügen. Mit Hilfe dieser Elektroden lassen sich elektrochemische Impedanzmessungen mit hoher zeitlicher Auflösung (in Echtzeit) durchführen, die den zeitlichen Verlauf des Anlagerns der Zellen an die Oberfläche der Elektroden (Zelladhäsion) dokumentieren. Da der Prozess des Anlagerns der Zellen an die Elektrode sehr sensitiv für eine Beeinflussung durch Stoffe ist, die den Zellstoffwechsel verändern, erlauben diese Messungen eine insektizide Wirkung sehr schnell und ohne lange Laborzeiten zu identifizieren. Anders als bei typischen Biosensoren, wird in diesem Ansatz nicht die Konzentration einer Substanz ermittelt, sondern deren biologische Wirkung auf die Zellen einer Insektenart. Dieser Ansatz lässt sich grundsätzlich auf Zellen verschiedener Insektenarten anwenden, so dass unter Verwendung von solchen Multielektroden-Arrays zukünftig die biologische Wirkung einer gegebenen Substanz auf verschiedene Insektenspezies ermittelt werden kann.

Neben dem grundsätzlichen Nachweis einer akuten insektiziden Wirkung, soll die vorgestellte Sensorik im weiteren Projektverlauf zu einer multiparametrischen Untersuchung verschiedener Zellfunktionen (Phänotypen) dienen. Durch eine geänderte Experimentführung kann aus den Impedanzsignalen bei unterschiedlichen Frequenzen des eingesetzten Wechselstroms auf die Zellteilungsrate, die Zellwanderung oder die Zellbeweglichkeit geschlossen werden, so dass insgesamt ein Wirkprofil der Kandidatensubstanz entsteht, das über deren reine akute Toxizität hinausgeht.