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Foto: Universität Regensburg
Links (Modell): Kügelchen mit Sauerstoff-Indikator und Referenzfarbstoff, die nach Anregung mit blauem Licht rot bzw. grün leuchten. Das Verhältnis von Sauerstoff-Indikator und Referenzfarbstoff gewährleistet standardisierte Messungen. Rechts: Landkarte d
 
Onkologie 30. März 2011

Ungleichmäßig verteilt

Neues Verfahren macht den Sauerstoffverbrauch in Zellen sichtbar.

Chemikern der Universität Regensburg ist es gelungen, die Verteilung des Sauerstoffs in biologischen Zellen zu beobachten. Sie hoffen, dass mithilfe der neuen Technik in Zukunft Krebszellen anhand ihres Sauerstoffverbrauchs von gesunden Zellen unterschieden werden können.

 

Sauerstoff ist für den Menschen unentbehrlich. Nur wenn er ausreichend vorhanden ist, sind Atmung und Stoffwechsel in der Zelle gewährleistet. Um beide Schlüsselprozesse – Atmung und Stoffwechsel – und deren Fehlfunktionen besser zu verstehen, untersucht die Forschung die Sauerstoffverteilung und den Sauerstoffverbrauch in den Zellen. „Landkarten“ bzw. Bilder der Sauerstoffverteilung wären ein bedeutender Schritt.

Mit herkömmlichen Messmethoden stießen Forscher dabei immer wieder an ihre Grenzen. In jüngster Zeit wird deshalb verstärkt mit kleinsten bzw. molekularen Indikatoren und Sensoren gearbeitet, die in Gegenwart von Sauerstoff ihre Farbe ändern. Solche Indikatoren können in den Zellen mit Hilfe eines Mikroskops beobachtet werden, haben aber den Nachteil, dass sie an Zellbestandteile binden, was die Messung erschwert oder im schlimmsten Fall unmöglich macht.

Forschern der Universität Regensburg um Prof. Dr. Otto Wolfbeis und Dr. Hans-Heiner Gorris vom Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Bioanalytik gelang es nun, einen empfindlichen Sauerstoffindikator in kleine Kunststoffkügelchen aus Polystyrol einzuschließen. Diese sind zwar für Sauerstoff durchlässig, aber sie schützen die Indikatoren vor dem Einfluss der Zellbestandteile. Die Kügelchen werden von den Zellen aufgenommen und können anschließend unter dem Mikroskop beobachtet werden.

Für ihre Untersuchungen platzierten die Chemiker zudem einen anderen Farbstoff in den Kügelchen, der gegenüber Sauerstoff unempfindlich ist und somit als Referenz dienen konnte. Über den Vergleich zwischen Sauerstoff-Indikator und Referenzfarbstoff konnten die Forscher standardisierte Messungen durchführen, die gegenüber äußeren Einflüssen unempfindlich waren.

Zweidimensionales Bild der Sauerstoffverteilung

Eine weitere Besonderheit der Kügelchen besteht darin, dass der Sauerstoff-Indikator lediglich auf dem roten Kanal einer digitalen RGB-Farbkamera aufgenommen werden kann, wohingegen der Referenzfarbstoff nur auf dem grünen Kanal erfasst wird. So genügt ein einziges RGB-Foto, um ein Bild der zweidimensionalen Sauerstoffverteilung zu erhalten. Aufgrund der neuen Bilder erhielten die Regensburger Forscher Hinweise auf eine ungleichmäßige Sauerstoffverteilung in den Zellen und auf den Sauerstoffverbrauch in bestimmten Zellregionen.

Die Indikator-Kügelchen reagieren innerhalb von wenigen Sekunden auf Veränderungen der lokalen Sauerstoffkonzentration, sodass sie in Zukunft zur Bestimmung des Zellstoffwechsels und der Zellatmung eingesetzt werden können. Zudem geht man davon aus, dass Krebszellen anhand ihres Sauerstoffverbrauchs von gesunden Zellen unterschieden werden können. Mit der neuen Sensortechnologie ist es möglich, diese Vermutung experimentell zu überprüfen. Die Ergebnisse der Forscher sind vor kurzem in der Fachzeitschrift Chemical Science der britischen Royal Society of Chemistry publiziert worden (DOI: 10.1039/C0SC00610F).

Quelle:

Pressemeldung der Uni Regensburg, Institut für analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik.

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