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STED-Mikroskopie und SIMS

Zellbestandteile im Nanometer-Bereich analysieren

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Zellorganellen in neuronalen Axonen analysieren

Den Detailreichtum, der mit der Methodenkombination erreicht werden kann verdeutlicht folgendes Beispiel: Es wurde ein neuronales Axon untersucht, ein schlauchartiger Nervenzellfortsatz über den Signale von Zelle zu Zelle weitergeleitet werden. Durch die Anwendung verschiedener Färbemethoden wurden Mitochondrien, synaptische Vesikel und aktive Zonen lokalisiert. Das Vorhandensein von allen drei Organellen charakterisiert eine Synapse, den Übergangsbereich zu einer anderen Nervenzelle. Die NanoSIMS-Analysen dieses Bereichs zeigten, dass die Synapse deutlich mehr 15N-Leucin beinhaltet als das Axon. Weiterhin erkennt man bei detaillierterer Analyse mittels STED dort, wo die einfache Mikroskopie zwei aktive Bereiche unterscheiden kann, neun aktive Zonen, die deutlich stärkere Unterschiede in der Aktivität aufweisen. Eine hohes 15N/14N–Verhältnis bedeutet einen hohen Stoffumsatz. In dieser Synapse sind also aktive Zonen mit hohem und niedrigem Stoffumsatz unmittelbar benachbart. Dies ist eine Information, die mit keiner anderen Methode erhalten werden kann. Das Ergebnis bestätigt Vermutungen, dass in diesem Bereich die Zellbestandteile im Laufe der Zeit nach und nach erneuert werden und nicht alle Zellteile gleich „alt“ sind.

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Die Kombination dieser beiden Techniken ermöglicht es also, vom gleichen Zellbereich Informationen zu Identität (welche Zellorganelle liegt vor) und Aktivität (aus den Isotopenverhältnissen) zu erhalten. Dieses Verfahren ist nicht auf neuronale Zellen limitiert, sondern kann auf alle Zellarten wie Mikroorganismen und ihre Organellen ausgeweitet werden. Gerade in Zellbereichen in denen Organellen dicht zusammenliegen, ist es wichtig mittels STED-Mikroskopie genau zu bestimmen, welche Bereiche welchen Organellen zugeordnet werden, um die Aktivität exakt bestimmen zu können.

Die Methodenkombination hat zudem Potenzial in der Ausweitung auf Isotope/Elemente. Bis zu sieben Massen kann das Nano-SIMS parallel detektieren, was genutzt werden könnte, um zu untersuchen, ob isotopische Anreicherungen von Kohlenstoff, Stickstoff und Schwefel in den gleichen Zellbereichen auftreten und die Umsetzung dieser Substanzen somit ggf. verknüpft sind. Weiterhin können, da die Korrelation der Methoden etabliert ist, auch weitere Techniken, wie die Elektronenmikroskopie in die Methodenkombination einbezogen werden.
Originalpublikation: Saka, S. K., Vogts, A., Kröhnert, K., Hillion, F., Rizzoli, S. O., Wessels, J., Correlated Optical and Isotopic Nanoscopy. Nature Communications 5, 2014, Article No. 3664.

* Dr. A. Vogts: Leibniz-Institut für Ostseeforschung, 18119 Rostock

* *Prof. Dr. S. Rizzoli, Dr. S. Saka: Universitätsmedizin, Georg-August-Universität, 37075 Göttingen

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