Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Sichtbare Signale aus Hirn und Herz: Neuer Sensor misst Kalziumkonzentration im Gewebe

30.11.2017

Über die Menge an Kalzium in und um Zellen, werden wichtige Prozesse im Körper gesteuert. Ein Team der Technischen Universität München (TUM) und des Helmholtz Zentrums München entwickelte jetzt das erste Sensormolekül, dass Kalzium mit der strahlungsfreien Bildgebungsmethode Optoakustik im lebenden Tieren sichtbar machen kann. Zellen müssen hierfür nicht genetisch verändert werden und es entsteht keine Strahlenbelastung.

Kalzium ist ein wichtiger Botenstoff in unserem Körper. In Nervenzellen entscheiden Kalziumionen zum Beispiel darüber, ob Signale an andere Nervenzellen weitergegeben werden oder nicht. Ob ein Muskel angespannt oder entspannt ist, hängt ebenfalls von der Menge an Kalzium in den Muskelzellen ab. Das gilt auch für unseren wichtigsten Muskel – dem Herz.


Kalziumwellen – ein neuer Sensor verwandelt Licht in Schall, um Kalziumflüsse im Körper sichtbar zu ...

(Bild: B. van Rossum, G. Westmeyer / TUM)

„Weil Kalzium für essentielle Organe wie Herz und Gehirn eine so entscheidende Rolle spielt, würde man gerne ‚live‘ und tief im Gewebe beobachten können, wie sich Kalziumkonzentrationen verändern – auch um fehlgesteuerte Prozesse bei Krankheiten besser zu verstehen. Unser neues Sensormolekül ist ein kleiner erster Schritt in diese Richtung.“, sagt Prof. Gil Gregor Westmeyer, Leiter der Studie und Professor für Molekulare Bildgebung an der TUM, sowie Forschungsgruppenleiter am Helmholtz Zentrum München.

An den Arbeiten, die im „Journal of the American Chemical Society“ veröffentlicht wurden, war auch Prof. Thorsten Bach von der TUM Fakultät für Chemie beteiligt. Die Forscher konnten ihr Molekül bereits in Herzgewebe und Gehirnen von lebenden Zebrafischlarven erfolgreich testen.

Kalzium-Messung auch in tieferen Gewebeschichten möglich

Um den Sensor auch in lebenden Tieren und später vielleicht auch im Menschen nutzbar zu machen, ist er mit einem recht neuen, nicht-invasivem bildgebenden Verfahren messbar: der Optoakustik. Diese Bildgebungsmethode beruht auf der für den Menschen ungefährlichen Ultraschalltechnik und kommt ohne radioaktive Strahlung aus.

Dabei erwärmen Laserimpulse die absorbierenden Sensormoleküle im Gewebe und dehnen sie kurzzeitig aus, so dass in der Folge Ultraschallsignale erzeugt werden. Diese erfassen die Wissenschaftler dann mit entsprechenden Detektoren und ‚übersetzen‘ sie in dreidimensionale Bilder.

Wenn Licht durch Gewebe strahlt, wird es gestreut. Deshalb werden bei Lichtmikroskopen Bilder schon in weniger als einem Millimeter Tiefe unscharf. Hier liegt der weitere Vorteil der Optoakustik: Ultraschall wird kaum abgelenkt und liefert noch scharfe Bilder in mehreren Zentimetern Tiefe.

Gerade für das Gehirn ist das interessant, da bisherige Verfahren nur wenige Millimeter unter die Hirnoberfläche gelangen. Das Gehirn hat aber eine so komplexe dreidimensionale Struktur mit unterschiedlichsten Funktionsbereichen, dass die Oberfläche nur einen kleinen Teil ausmacht. Das Ziel der Forscher ist es deshalb, mit dem neuen Sensor tief im Gewebe Kalziumveränderungen zu messen. Erst Ergebnisse bekamen sie bereits aus den Gehirnen von Zebrafischlarven.

Ungiftig und strahlungsfrei

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben das Sensormolekül zudem so entworfen, dass es von lebenden Zellen einfach aufgenommen werden kann. Er ist darüber hinaus nicht schädlich für das Gewebe und arbeitet mit einem Farbumschlag. Wenn der Sensor an Kalzium bindet, ändert sich seine Farbe, was wiederum das Licht-induzierte Optoakustiksignal verändert.

Bei vielen bisherigen bildgebenden Verfahren, mit denen sich Kalziumveränderungen sichtbar machen lassen, müssen Zellen genetisch verändert werden. Sie erhalten dann zum Beispiel die Fähigkeit zu leuchten, wenn sich die Menge an Kalzium in der Zelle ändert. Das Problem hierbei ist, dass ein solcher genetischer Eingriff beim Menschen nicht möglich ist.

Mit dem neuen Sensor ließe sich diese Limitierung umgehen, sagen die Wissenschaftler. In Zukunft sollen die Eigenschaften des Moleküls aber noch weiter verfeinert werden, so dass die Sensorsignale in noch tieferen Gewebeschichten gemessen werden können. Hierzu muss das Team um Gil Gregor Westmeyer noch weitere Varianten des Moleküls generieren, die im langwelligeren, für Menschen nicht mehr sichtbaren, Bereich des Lichts absorbieren.

Originalpublikation
Roberts S., Seeger M., Jiang Y., Mishra A., Sigmund F., Stelzl A., Lauri A., Symvoulidis P., Rolbieski H., Preller M., Deán-Ben X.L., Razansky D., Orschmann T., Desbordes S., Vetschera P., Bach T., Ntziachristos V., Westmeyer G.G., Calcium Sensor for Photoacoustic Imaging, Journal of the American Chemical Society (JACS), Oktober 2017, DOI: 10.1021/jacs.7b03064
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.7b03064

Kontakt
Prof. Dr. Gil Gregor Westmeyer
Technische Universität München
Professor für Molekulare Bildgebung
Tel.: +49 (0) 89 3187-2123
gil.westmeyer@tum.de

Weitere Informationen:

https://www.tum.de/die-tum/aktuelles/pressemitteilungen/detail/article/34325/ - Diese Meldung im Web
http://www.professoren.tum.de/westmeyer-gil/ - Professorenprofil von Gil Gregor Westmeyer
https://www.tum.de/die-tum/aktuelles/ - Alle Pressemitteilungen der TU München

Dr. Ulrich Marsch | Technische Universität München

Weitere Berichte zu: Gewebe Kalzium Kalziumkonzentration Muskel Nervenzellen Sensor

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Software mit Grips
20.04.2018 | Max-Planck-Institut für Hirnforschung, Frankfurt am Main

nachricht Einen Schritt näher an die Wirklichkeit
20.04.2018 | Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Software mit Grips

Ein computergestütztes Netzwerk zeigt, wie die Ionenkanäle in der Membran von Nervenzellen so verschiedenartige Fähigkeiten wie Kurzzeitgedächtnis und Hirnwellen steuern können

Nervenzellen, die auch dann aktiv sind, wenn der auslösende Reiz verstummt ist, sind die Grundlage für ein Kurzzeitgedächtnis. Durch rhythmisch aktive...

Im Focus: Der komplette Zellatlas und Stammbaum eines unsterblichen Plattwurms

Von einer einzigen Stammzelle zur Vielzahl hochdifferenzierter Körperzellen: Den vollständigen Stammbaum eines ausgewachsenen Organismus haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus Berlin und München in „Science“ publiziert. Entscheidend war der kombinierte Einsatz von RNA- und computerbasierten Technologien.

Wie werden aus einheitlichen Stammzellen komplexe Körperzellen mit sehr unterschiedlichen Funktionen? Die Differenzierung von Stammzellen in verschiedenste...

Im Focus: Spider silk key to new bone-fixing composite

University of Connecticut researchers have created a biodegradable composite made of silk fibers that can be used to repair broken load-bearing bones without the complications sometimes presented by other materials.

Repairing major load-bearing bones such as those in the leg can be a long and uncomfortable process.

Im Focus: Verbesserte Stabilität von Kunststoff-Leuchtdioden

Polymer-Leuchtdioden (PLEDs) sind attraktiv für den Einsatz in großflächigen Displays und Lichtpanelen, aber ihre begrenzte Stabilität verhindert die Kommerzialisierung. Wissenschaftler aus dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPIP) in Mainz haben jetzt die Ursachen der Instabilität aufgedeckt.

Bildschirme und Smartphones, die gerollt und hochgeklappt werden können, sind Anwendungen, die in Zukunft durch die Entwicklung von polymerbasierten...

Im Focus: Writing and deleting magnets with lasers

Study published in the journal ACS Applied Materials & Interfaces is the outcome of an international effort that included teams from Dresden and Berlin in Germany, and the US.

Scientists at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) together with colleagues from the Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) and the University of Virginia...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Internationale Konferenz zur Digitalisierung

19.04.2018 | Veranstaltungen

124. Internistenkongress in Mannheim: Internisten rücken Altersmedizin in den Fokus

19.04.2018 | Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Juni 2018

17.04.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Grösster Elektrolaster der Welt nimmt Arbeit auf

20.04.2018 | Interdisziplinäre Forschung

Bilder magnetischer Strukturen auf der Nano-Skala

20.04.2018 | Physik Astronomie

Kieler Forschende entschlüsseln neuen Baustein in der Entwicklung des globalen Klimas

20.04.2018 | Geowissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics