Neue Mikroskopietechnik ermöglicht Bestimmung von Lipiden ohne zusätzliche Marker

Mittels einer neuen Mikroskopietechnik können Lipide auch ohne Fluoreszenzmarkierung bestimmt werden. Stattdessen werden mittelinfrarotes Licht und Ultraschall angewendet – und ermöglichen zudem die Messung in lebenden Zellen.

Ein Team von Helmholtz Munich und der Technischen Universität München (TUM) hat eine neue Mikroskopietechnik entwickelt, mit der Lipide in lebenden Zellen ohne chemische Markierung unterschieden und kartiert werden können – darunter Cholesterin und Sphingomyelin. Die Methode nutzt Licht im mittleren Infrarotbereich sowie optoakustische Detektion, um einen chemischen Fingerabdruck der Lipide zu erstellen. Damit entfällt die Notwendigkeit spezifischer fluoreszierender Marker, deren Entwicklung aufwendig ist und die die Lipidfunktion beeinträchtigen können. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature Methods“ veröffentlicht.

Mittelinfrarotes Licht und Ultraschall statt Fluoreszenz

Die gezielte Erfassung oder Visualisierung von Lipiden in lebenden Zellen ist schwierig. Die herkömmliche Fluoreszenzmikroskopie erfordert für jede Lipidklasse die Entwicklung maßgeschneiderter fluoreszierender Marker – ein zeitaufwendiger und kostspieliger Prozess. Darüber hinaus können diese Marker die Funktion der Lipide beeinträchtigen, die Zellen belasten oder unspezifisch binden.

Ein Team unter der Leitung von Prof. Vasilis Ntziachristos, Leiter des Bioengineering Center und Direktor des Institute of Biological and Medical Imaging (IBMI) bei Helmholtz Munich, entwickelte eine neue Mikroskopiemethode, um diese Herausforderung zu meistern: die hyperspektrale mittelinfrarote optoakustische Mikroskopie (HyFOPM). Mit dieser Technik lassen sich Lipide in lebenden Zellen ohne zusätzliche Markierung sichtbar machen.

Die Methode beleuchtet die Probe mit gepulstem mittelinfrarotem Licht bei mehreren unterschiedlichen Wellenlängen, eine sogenannte „hyperspektrale“ Beleuchtung. Bestimmte Lipide absorbieren Teile dieses Lichts, wodurch ein kurzer, minimaler Temperaturanstieg entsteht, der Ultraschallwellen erzeugt. Diese Wellen werden von Ultraschallwandlern erfasst und in ein spektrales Bild umgewandelt. Eine computergestützte Analyse dieses Bildes erstellt anschließend Karten, die die Verteilung verschiedener Lipide in der Probe sichtbar machen.

Entscheidend sind die Wellenlängen

Das Besondere an der Methode sind die gezielt gewählten Wellenlängen. Viele markerfreie Verfahren arbeiten in Spektralbereichen, die auch von zahlreichen anderen Biomolekülen absorbiert werden, wodurch eine klare Unterscheidung erschwert ist.

Das Team konzentriert sich stattdessen auf die sogenannte Fingerprint-Region. In diesem Spektralbereich entstehen Absorptionsmuster hauptsächlich durch Schwingungen, die charakteristisch für die molekulare Struktur eines Lipids sind. Dadurch erkennt die Methode nicht nur die Bausteine eines Moleküls, sondern auch deren räumliche Anordnung. Auf diese Weise lassen sich verschiedene Lipidarten unterscheiden – selbst chemisch sehr ähnliche, wie Glycerophospholipide und Sphingomyelin.

„Das Absorptionsmuster ist charakteristisch für verschiedene Moleküle und funktioniert wie ein einzigartiger molekularer Fingerabdruck“, erklärt Dr. Francesca Gasparin, Wissenschaftlerin am IBMI und an der TUM sowie Erstautorin der Studie. „Dieser mittelinfrarote Fingerabdruck erlaubt es uns, unterschiedliche Lipide zu unterscheiden – ganz ohne externe Marker.“

Weniger Stress für Zellen

Um die Zuverlässigkeit der chemischen Fingerabdrücke zu prüfen, verglich das Team seine Messungen mit der herkömmlichen Infrarotspektroskopie, die als Referenz diente. Diese etablierte Methode liefert zwar präzise Ergebnisse für gelöste Substanzen und Flüssigkeitströpfchen, ist jedoch für lebende Zellen kaum geeignet, da die aufwendige Probenvorbereitung die Zellfunktion beeinträchtigen kann.

Die neue Mikroskopietechnik reproduzierte nicht nur die erwarteten Lipidspektren in Lösungen, sondern ermöglichte erstmals auch Messungen direkt in lebenden Zellen. „Ein wesentlicher Vorteil von HyFOPM ist, dass die markierungsfreie Beobachtung von Lipiden die Zellen nur minimal belastet“, erklärt Gasparin.

Anwendung auch beim Menschen?

Langfristig sehen die Forschenden Anwendungsmöglichkeiten in einem breiten Spektrum der Lipidforschung – von der Grundlagenforschung bis hin zu medizinischen Einsatzbereichen, die bisher nur schwer zugänglich waren. „Die Möglichkeit, Lipidklassen in lebenden Zellen ohne Marker zu verfolgen und zu kartieren, eröffnet neue Wege, Krankheitsprozesse besser zu verstehen und Stoffwechselaktivitäten zu überwachen – nicht nur auf zellulärer Ebene, sondern perspektivisch auch beim Menschen“, sagt Prof. Vasilis Ntziachristos.

Der nächste Schritt bestehe darin, die Methode zu beschleunigen und sie systematisch in komplexen zellulären Systemen zu testen, um mehr über die Entstehung von Krankheiten und die Wirkung von Medikamenten zu lernen. Langfristig wolle die Forschenden die Technik beim Menschen einsetzen, um Metaboliten kontinuierlich zu überwachen und daraus belastbare Biomarker für eine Vielzahl von Erkrankungen abzuleiten, insbesondere im Bereich des kardiometabolischen Syndroms.