Neues Verfahren macht Sauerstoff in Zellen sichtbar

Sauerstoff ist für die meisten Lebewesen unentbehrlich. Dies gilt auch für den Menschen. Nur wenn Sauerstoff ausreichend vorhanden ist, sind die Atmung und der Stoffwechsel in jeder 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. So wären „Landkarten“ bzw. Bilder der Sauerstoffverteilung ein bedeutender Schritt.

Mit herkömmlichen Messmethoden stießen Forscher dabei in den letzten Jahrzehnten 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 ist nun in diesem Zusammenhang ein wichtiger Durchbruch gelungen. Den Wissenschaftlern gelang es, einen empfindlichen Sauerstoff-Indikator in kleine Kügelchen aus Polystyrol – einem Kunststoff – einzuschließen. Die Kügelchen sind zwar für Sauerstoff durchlässig, aber sie schützen die Indikatoren vor dem Einfluss der Zellbestandteile. Sie werden von 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.

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. Das bedeutet, dass ein einziges RGB-Foto genügt, um ein Bild der zweidimensionalen Sauerstoffverteilung zu erhalten. Aufgrund der neuen Bilder erhielten die Regensburger Wissenschaftler 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, so dass sie in Zukunft verstärkt zur Bestimmung des Zellstoffwechsels und der Zellatmung eingesetzt werden können. Zudem geht die Forschung derzeit davon aus, dass Krebszellen anhand ihres Sauerstoffverbrauchs von gesunden Zellen unterschieden werden können. Mit der neuen Sensortechnologie ist es nun möglich, diese Vermutung experimentell zu überprüfen.

Die Ergebnisse der Regensburger Wissenschaftler sind vor kurzem in der renommierten Fachzeitschrift „Chemical Science“ der britischen Royal Society of Chemistry erschienen (DOI: 10.1039/C0SC00610F).

Ansprechpartner für Medienvertreter:
Dr. Hans-Heiner Gorris
Universität Regensburg
Institut für Analytische Chemie, Chemo- und Biosensorik
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Hans-Heiner.Gorris@chemie.uni-regensburg.de