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Markerfreie Bildgebungsmethode Ein Sonar für Stoffwechselprozesse

| Redakteur: Christian Lüttmann

U-Boote nutzen Sonar, um auch im trüben Wasser den Durchblick zu behalten. Nun haben Forscher eine etwas andere Art von Sonar zur markerfreien Analyse von Stoffwechselvorgängen entwickelt. Durch gezielt erzeugte Schallwellen erlaubt die Methode neue Einblicke in die Biochemie.

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MiROM-Mikroskopaufnahme von lebenden Adipozyten (1mm x 1mm): Lipide (rot), Proteine (grün) und Kohlenhydrate (blau).
MiROM-Mikroskopaufnahme von lebenden Adipozyten (1mm x 1mm): Lipide (rot), Proteine (grün) und Kohlenhydrate (blau).
(Bild: Helmholtz Zentrum München / Miguel A. Pleitez)

München – Stoffwechselerkrankungen wie Diabetes und Fettleibigkeit nehmen weltweit zu, da neben der genetischen Veranlagung auch der Lebensstil einen großen Einfluss auf deren Verbreitung hat. Wie aber wirken sich neue Ernährungs- oder Bewegungsgewohnheiten auf Krankheiten und den ihnen zugrundeliegenden zellulären Stoffwechsel aus? Um das zu verstehen, sind präzise Analysemethoden erforderlich.

Wissenschaftler vom Institut für Biologische und Medizinische Bildgebung des Helmholtz Zentrums München und des Lehrstuhls für Biologische Bildgebung der TU München haben hierfür eine neue Technologie entwickelt, die „Mid-Infrarot-Optoakustische Mikroskopie“, kurz MiROM. Der entscheidende Vorteil dieser Methode: Sie bildet Biomoleküle in lebenden Zellen kontrastreich und ohne den Zusatz von Markern und Kontrastmitteln in Echtzeit ab.

Bilder aus Licht und Ultraschall

Wie kann man mit MiROM biologische Prozesse ohne Biomarker verfolgen? Dazu regt ein Laserstrahl im mittleren Infrarotbereich Moleküle zu „fingerabdruckspezifischen“ Vibrationen an. Verschiedene Moleküle absorbieren dabei bestimmte Wellenlängen, was zu thermoelastischer Expansion führt. Die so hervorgerufenen volumetrischen Ausdehnungen der Moleküle erzeugen Ultraschallwellen, die das Messgerät erfasst und so verarbeitet, dass die Verteilung der jeweiligen Moleküle bildlich dargestellt werden kann.

Ein entscheidender Vorteil dieser neuen Methode gegenüber bisherigen Techniken ist, dass sie nicht auf getrocknete, fixierte Proben beschränkt ist, sondern auch bei lebenden Zellen funktioniert. „Bei der konventionellen IR-Spektroskopie im mittleren Infrarot führt eine höhere Biomolekülkonzentration zu einem höheren Signalverlust. MiROM dagegen wandelt diese in eine positive Kontrastmodalität um, wobei eine höhere Konzentration stärkere Signale liefert. Die neue Technik ermöglicht eine markerfreie Abbildung von Biomolekülen, die weit empfindlicher ist als Raman-Methoden“, erklärt Prof. Vasilis Ntziachristos, Direktor des Instituts für Biologische und Medizinische Bildgebung (IBMB) und des Lehrstuhls für Biologische Bildgebung.

Interaktionen in Echtzeit beobachten

Mit der markerfreien Analyse lassen sich nun Stoffwechselprozesse in lebenden Zellen in bisher unerreichter Qualität in Echtzeit beobachten. „Damit können die Auswirkungen verschiedener Diäten auf zellulärer Ebene dynamisch untersucht oder die Wirksamkeit neuer Medikamentenklassen bewertet werden“, sagt Miguel Pleitez vom IBMB.

Um noch detailliertere Erkenntnisse zu einem breiten Spektrum an Krankheiten wie beispielsweise Krebs zu gewinnen, arbeitet das Team aktuell daran, die Geschwindigkeit, Auflösung und Empfindlichkeit der Methode weiter zu erhöhen.

Wie die neue Technologie bei der Erforschung von Diabetes und Adipositas helfen kann, verdeutlicht dieses Video des Helmholtz Zentrums München, das auch einen kurzen Clip einer Life-Aufnahme von Lipiden in einer Zelle beinhaltet:

Erste Anwendungen im Labormikroskop zeigten präzise Stoffwechselvorgänge in Zellen und entnommenem Gewebe. „Langfristig wollen wir die Technologie so anpassen, dass sie Messungen am Menschen ermöglicht. Wir wollen systemische Prozesse im Zusammenhang mit Änderungen im Lebensstil direkt beobachten und analysieren, um mit diesem Wissen Strategien zur Krankheitsprävention zu optimieren“, sagt Ntziachristos.

Originalpublikation: M. A. Pleitez et al.: Label-free metabolic imaging by mid-infrared optoacoustic microscopy in living cells, Nature Biotechnology (2020); DOI: 10.1038/s41587-019-0359-9.

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