AdvancedMaterials@BAM Kranke Zellen sichtbar machen

Die Fluoreszenzbildgebung ist ein vielseitig einsetzbares Hilfsmittel in der Biomedizin, z.B. bei der Erforschung von kranken Zellen und Tumorgewebe. Dr. Michael Schäferling vom Fachbereich Biophotonik entwickelt modifizierte Nanosonden, die das Verfahren noch schonender und effizienter machen.

Bei der Fluoreszenzbildgebung werden, ähnlich Kontrastmitteln, fluoreszierenden Substanzen zur farblichen Kennzeichnung genutzt, deren Verteilung im Organismus bildlich dargestellt werden kann. So lässt sich zum Beispiel auch die Verteilung von Krebstumoren in biologischem Gewebe dreidimensional erfassen. Zur Erkennung von Tumorgewebe gibt es bekannterweise bereits Verfahren wie die Magnetresonanztomographie (MRT). Die Fluoreszenzbildgebung eignet sich vielmehr dafür, Änderungen der verschiedenen chemischen Parameter in kranken Zellen, wie pH-Wert, Sauerstoffversorgung und Ionenkonzentrationen (z.B. Ca²⁺) sichtbar zu machen, diese zu untersuchen und daraus Rückschlüsse über das Zellverhalten und Änderungen des Zellstoffwechsels zu ziehen.

Farbstoffe reagieren mit chemischen Parametern und lassen diese sichtbar werden

Für das bildgebende Verfahren werden sogenannte Fluoreszenzmarker benötigt, um bestimmte Biomoleküle wie Proteine oder DNA, Zellbestandteile oder Gewebe selektiv anzufärben. Zur Bestimmung und Kontrolle lebenswichtiger chemischer Parameter wie zum Beispiel Sauerstoffsättigung oder pH-Wert werden darüber hinaus fluoreszierende Farbstoffe (Fluoreszenz-Indikatoren) benötigt, die sensitiv auf ihre chemische Umgebung reagieren. Diese sind notwendig, da die untersuchten Parameter wie Sauerstoffkonzentration oder pH-Wert bei Bestrahlung mit Licht im sichtbaren Bereich weder eine Eigenfärbung noch eine Eigenfluoreszenz aufweisen. Die Überwachung von Sauerstoff- und pH-Werten in Zellen und Geweben ist beispielsweise ein wichtiges Hilfsmittel in der Tumorforschung, da Tumorzellen meist hypoxisch sind, d.h. einen Sauerstoffmangel aufweisen, und einen geringeren pH-Wert besitzen.

Forschung erfolgt im Rahmen eines Stipendiums der Deutschen Forschungsgemeinschaft

Im Fachbereich Biophotonik der BAM beschäftigt sich Dr. Michael Schäferling, Heisenberg-Stipendiat der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) in seinen Forschungsarbeiten speziell mit der Entwicklung von fluoreszenten molekularen Sonden und Nanosonden für die chemische Sensorik und Bioanalytik – und zwar vorrangig zur Bestimmung von Sauerstoff (bzw. Druck), pH, Temperatur, Anionen, H₂0₂ oder der Temperatur. Im Falle der Nanosonden werden fluoreszierende Indikatorfarbstoffe mit Trägerpartikeln verknüpft, die selbst nur zwischen 10 und 100 Nanometern groß sind. Daraus ergeben sich besonderen Eigenschaften wie beispielsweise eine erhöhte Signalintensität und eine verringerter Störanfälligkeit. Die Nanosonden sind also empfindlicher und können detailliertere Informationen liefern. In Zusammenarbeit mit Dr. Ute Resch-Genger, Leiterin des Fachbereichs Biophotonik, wurden bereits polymere Nanosonden für die Sauerstoffbestimmung in Tumorzellen in vivo hergestellt und erfolgreich getestet.

Optimierte Nanosonden ermöglichen eine noch schonendere und effizientere Fluoreszenzbildgebung

Im Mittelpunkt der aktuellen Arbeit von Dr. Michael Schäferling stehen anorganische Nanokristalle, in die Ionen von Seltenen Erden (z.B. Ytterbium oder Erbium) eingebaut werden. Diese können mit einem Durchmesser von ca. 20-25 nm hergestellt werden. Durch den Einbau von zwei verschiedenen Seltenen Erdionen zeigen die Nanopartikel eine sogenannte Aufkonvertierungs-Lumineszenz, d.h. sie können mit Nahinfrarot (NIR)-Licht angeregt werden und senden sichtbares Licht aus. Diese Photonen-aufkonvertierenden Nanopartikel geben also im Gegensatz zu klassischen Fluoreszenzfarbstoffen energiereicheres Licht ab, als sie zur Anregung benötigen – ein Effekt der auch als Anti-Stokes Verschiebung bezeichnet wird.

Dieses Phänomen bietet neue und vielversprechende Möglichkeiten für bildgebende Anwendungen: Da das NIR-Licht nicht von biologischen Materialien absorbiert wird, kann es tiefer ins Gewebe eindringen. Tumorzellen werden also auch in tieferliegendem Gewebe gut sichtbar. Zudem ist die Bestrahlung mit NIR-Licht für lebende Zellen und Gewebe weitaus schonender als die Verwendung von sichtbarem oder ultraviolettem Licht.

Mit Hilfe des von der DFG geförderten dreijährigen Forschungsprojekts „Selbstreferenzierte Photonen-aufkonvertierende Nanosensoren für bildgebende Anwendungen“ sollen diese Nanomaterialien nun so funktionalisiert und mit sensitiven Farbstoffen kombiniert werden, dass sie für die bildgebende Bestimmung von Sauerstoff, pH oder Ca²⁺ in biologischen Proben eingesetzt werden können.

BAM ist Teil eines internationalen Forschungsnetzwerkes

Die international stattfindende Grundlagen- wie auch angewandte Forschung an aufkonvertierenden Nanopartikeln wird europaweit im Rahmen der COST-Initiative (European Cooperation in Science and Technology) „European Upconversion Network“ koordiniert, dem auch der Fachbereich Biophotonik der BAM und Dr. Michael Schäferling angehören. Im Rahmen einer solchen internationalen Kooperation konnte bereits eine Nanosonde vorgestellt werden, die die pH-Verteilung in verschiedenen Bereichen von lebenden Zellen bildgebend darstellen kann. In Zusammenarbeit mit Dr. Ute Resch-Genger und dem Fachbereich werden aktuell im Rahmen eines von der DFG geförderten europäischen M-era.Net Netzwerks Möglichkeiten zur Verstärkung der Lumineszenz von Aufkonvertierungs-Nanopartikeln untersucht. Die BAM spielt dabei eine zentrale Rolle beim Design und der spektroskopischen Charakterisierung der Partikel. Ziel ist es letztlich, die Fluoreszenzbildgebung noch kontrastreicher und für lebende Zellen oder Gewebe schonender zu gestalten, durch Verwendung von NIR-Licht tiefer in das Gewebe einzudringen und dadurch ansonsten unzugängliche chemische Informationen aus dem Inneren von Zellen oder kranken Geweben wie Tumoren zu erhalten.