Die optische Vermessung der synaptischen Nano-Welt

Göttinger Wissenschaftler haben höchstauflösende Messungen der Kalziumkonzentration entwickelt sowie die Zahl und Funktion von Kalziumkanälen an der Synapse entschlüsselt.

Die elementaren Prozesse des Lebens finden in den Zellen unseres Körpers auf sehr kleinem Raum im Bereich zwischen Millionstel (Mikro) und Milliardstel (Nano) Metern statt. Ein Beispiel ist die Signalübertragung an Synapsen, den Kontaktstellen, über die Nervenzellen miteinander „sprechen“. Um diese Signale beobachten zu können, haben Wissenschaftler der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) sowie des Max-Planck-Instituts (MPI) für biophysikalische Chemie erstmals die von Chemie-Nobelpreisträger Prof. Dr. Stefan Hell, Direktor am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, und Kollegen entwickelte optische Nanoskopie für höchstauflösende Messungen der lokalen Kalziumkonzentration in Synapsen nutzbar gemacht.*

Wann bei der Übertragung von Signalen an Synapsen Botenstoffe, wie zum Beispiel Glutamat, aus einzelnen „Botenstoff-Containern“, den synaptischen Vesikeln, freigesetzt werden, wird durch Kalziumionen gesteuert. Die Kalziumionen strömen durch winzige Kanäle, die nur wenige Nanometer von den Vesikeln entfernt liegen, in die Zelle ein. Folglich sind die Kalziumsignale räumlich sehr begrenzt, sie bilden sogenannte „Kalzium-Nanodomänen“. Dies ermöglicht eine sehr schnelle Regulation der Signale. Zudem schützt es die Zelle vor den giftigen Auswirkungen einer zellweiten Erhöhung der Kalziumkonzentration. Bislang konnten diese Signale nicht direkt vermessen werden, weil ihre Ausdehnung unterhalb der Auflösungsgrenze konventioneller Lichtmikroskopie liegt.

Visualisierung der Ausbreitung des Kalziumsignals
Um diese Signale dennoch beobachten zu können, hilft die optische Nanoskopie weiter. Dafür mussten die Göttinger Forscher zunächst geeignete, kalziumempfindliche Fluoreszenzfarbstoffe finden und charakterisieren. In einem weiteren Schritt wurde die Nanoskopie mit der von den Medizin-Nobelpreisträgern Prof. Erwin Neher und Prof. Bert Sakmann in Göttingen entwickelten Patch-Clamp-Methode kombiniert, um dann nanoskopische Messungen der Fluoreszenz-Lebensdauer zu etablieren. Diese Methode macht es jetzt möglich, die Ausbreitung des Kalziumsignals in der Zelle mit bisher unerreichter Genauigkeit sichtbar zu machen. Zudem kann nun auch die Konzentration von Kalziumionen direkt am Ort des Eintritts in die Zelle gemessen werden.

Prof. Tobias Moser, Direktor des Instituts für Auditorische Neurowissenschaften der UMG und Forschungsgruppenleiter am MPI für biophysikalische Chemie, sieht in dem Ergebnis einen Durchbruch bei der Erforschung der Signalwege: „Kalzium ist eines der wichtigsten Signale in Zellen. Der technische Durchbruch, dass wir jetzt Kalziumsignale mit der Präzision von Nanometern und Millisekunden quantifizieren können, eröffnet völlig neue Möglichkeiten für die Erforschung der Zellen von Herz und Nervensystem.“

“Zoom” vom Organ über Zelle und Synapse bis zum Kalziumkanal
Mit diesem neuen optischen Verfahren können die Wissenschaftler nun den auf der Nanometer-Skala stattfindenden zellulären Prozessen in einem lebenden Gewebe regelrecht „bei der Arbeit“ zuschauen. Das neue Verfahren ermöglicht das bildliche „Hineinzoomen“ von der Beobachtung des ganzen Organs hinunter bis auf die Zellebene, hin zu einzelnen Synapsen und schließlich auf die Ebene der synaptischen Kalziumkanäle. Die hier entwickelten optischen Methoden und ihre Kombination mit dem Patch-Clamp-Verfahren stehen nun auch anderen Anwendungen der Lebenswissenschaften und Medizin zur Verfügung. Dr. Nicolai Urban vom MPI für biophysikalische Chemie sagt: „Die optische Nanoskopie ermöglicht physiologische Untersuchungen mit unglaublicher Detailtreue. Mit ihr kommen wir der Entschlüsselung der kleinsten Funktionseinheiten unseres Körpers einen großen Schritt näher.“

Die Forschung wurde durch den Sonderforschungsbereich 889, den Bernstein Fokus für Neurotechnologie und das Göttinger Exzellenzcluster Mikroskopie im Nanometerbereich und Molekularphysiologie des Gehirns (CNMPB) gefördert.

* Die Ergebnisse wurden im Januar 2018 im Wissenschaftsjournal Nature Communications veröffentlicht.

Quelle: Universitätsmedizin Göttingen – Georg-August-Universität

 

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