Biosensor misst Stresszustand von Zellen

Erstmals können Wissenschaftler in Echtzeit den Oxidationsstatus von lebenden Zellen bestimmen und daraus Schlüsse über deren Gesundheitszustand ziehen. Dazu haben Forscher des Deutsches Krebsforschungszentrums in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universität Heidelberg einen hochempfindlichen Biosensor entwickelt, der Veränderungen in der Balance zwischen Oxidation und Reduktion und gesundheitsschädlichen oxidativen Stress aufzeigt. Das Gleichgewicht der Prozesse in den Zellen entscheidet über Gesundheit oder Krankheit. Ein Übergewicht oxidationsfördernder Prozesse schadet der Zelle und somit dem Organismus.

Der vom Biologen Tobias Dick und seinen Mitarbeitern entwickelte Biosensor erfasst den Oxidationszustand eines ganz bestimmten Moleküls, nämlich des Glutathion. „Das ist der Hauptschutz einer Zelle gegen oxidative Verbindungen“, erklärt Dick im Gespräch mit pressetext. Es fängt in der Zelle einen großen Teil der reaktiven Sauerstoffmoleküle ab, die als Nebenprodukt der Zellatmung entstehen und Proteine und Fettsäuren in der Zelle angreifen. Dabei oxidiert das Glutathion selbst. Liegt viel von dieser Substanz in oxidierter Form vor, sei dies ein Indiz für einen zunehmenden Oxidationsgrad der gesamten Zelle. Um diese Veränderungen sichtbar zu machen, koppelten die Wissenschaftler eine Variante des grün fluoreszierendes Proteins (GFP) genetisch an das Enzym Glutaredoxin, das den Oxidationszustand des Glutathion misst und den Wert auf das Eiweiß überträgt. Dieses wiederum reagiert mit Leuchtsignalen auf Veränderungen.

„Das bisherige Problem bei der Verwendung von GFP-Varianten war, dass diese sehr langsam reagiert haben“, so Dick. Um kurze Schwankungen im Oxidationszustand verfolgen zu können, müsse das System aber blitzschnell und dynamisch reagieren. „Das ist bei unserem Biosensor, der bis in den Sekundenbereich arbeitet, gewährleistet“, sagt Dick. So könne man nun genauer beobachten, wann und mit welchen zeitlichen Abläufen oxidative Veränderungen stattfinden. „Wir können aber auch feststellen, welche Effekte wirklich von Medikamenten oder pflanzlichen Nahrungsinhaltstoffen ausgehen.“ Somit sei es auch möglich, angenommene antioxidative Wirkungen von Nahrungsergänzungsstoffen zu überprüfen.

„Im Moment sind die Zellen aber nur ex-vivo – also in Form von Zellkulturen – testbar“, fügt Dick an. Im nächsten Schritt plane man aber transgene Mäuse, die den Sensor bereits in sich tragen würden. „Dann wären zum ersten Mal Messungen im physiologischen Umfeld machbar“, hofft der Wissenschaftler.