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Visualising age- and cataract-related changed within cell membranes of human eye lens using molecular rotors

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Innovative Mikroskopie liefert neue Erkenntnisse zu Grauem Star

Nach der Demonstration eines bahnbrechenden mikroskopischen Verfahrens könnten altersbedingte strukturelle Veränderungen der Augenlinse als Ursache von Grauem Star enthüllt werden, um Wege für neue Therapien zu ebnen.

Gesundheit

Als Grauer Star (Katarakt) wird die Trübung der Augenlinse bezeichnet. Sie ist eine häufige altersbedingte Erkrankung, die zur Erblindung führen kann. Weitere begünstigende Faktoren sind erbliche Veranlagung, UV-Licht und Rauchen. „Die Augenlinse besteht aus sehr komplexem Gewebe“, erklärt Petr Sherin, der im Rahmen des Projekts Cata-rotors am Imperial College London, Vereinigtes Königreich, forscht. „Anders als beim restlichen Körpergewebe, dass sich zeitlebens erneuert, ist dies bei den Hauptkomponenten der Linse – Proteinen und Lipiden – nicht der Fall. Dadurch werden auch Schäden nicht behoben und akkumulieren sich, was zum Funktionsverlust der Linse und zu Grauem Star führen kann.“ Obwohl begünstigende Faktoren bereits identifiziert wurden, sind die genauen Ursachen für die Entwicklung von Grauem Star sowie Möglichkeiten, den Prozess aufzuhalten oder umzukehren, noch wenig erforscht. „Eine mögliche Ursache könnte die Bildung einer ‚Diffusionsbarriere‘ sein“, erklärt Sherin, „die den Nährstofftransport in die einzelnen Linsekompartimente vor allem ab dem mittleren Lebensalter behindert.“ Da dieser Befund jedoch nicht wissenschaftlich gesichert ist, sollte das über die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen finanzierte Projekt Cata-rotors nun Lösungen finden.

Erkennung struktureller Veränderungen im Auge

Um ihr Ziel zu erreichen, arbeiteten der Marie-Skłodowska-Curie-Stipendiat Petr Sherin und die Projektkoordinatorin Marina Kuimova mit der vom Kuimova-Labor entwickelten Fluoreszenzlebensdauer-Mikroskopie (Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy, FLIM) in Kombination mit viskositätsempfindlichen Fluoreszenzsonden, sogenannten molekularen Rotoren. Diese Rotoren „erhellen“ Bereiche, in denen die zelluläre Viskosität höher ist als in anderen Bereichen. Die Technik wurde an echten Gewebeproben natürlich gealterter Augenlinsen und nach Einwirkung von UV-Licht oder Wärme („beschleunigte Alterung“) getestet, um unterschiedlich starke Viskosität zu erkennen und so die Hypothese der Diffusionsbarriere zu bestätigen. „Zuerst wurden Schnitte der Linsenproben angefertigt, um sie dann mit Fluoreszenzrotoren einzufärben, wobei darauf geachtet wurde, das Gewebe nicht zu schädigen oder zu dehydrieren“, erläutert Kuimova. „Die Anfertigung der Gewebeschnitte war schwierig und erforderte hohes Fachwissen.“ Dann wurden umfangreiche Bildsätze von FLIM-Aufnahmen erstellt und ausgewertet, „was hochgenaue Informationen zur Verteilung der Viskosität innerhalb der Linsenzellen lieferte“, erklärt Sherin.

Bestätigung der Befunde

Dies erbrachte zwei wichtige Ergebnisse: Zunächst wurden visuelle Veränderungen bei Zellen aus zentralen und peripheren Regionen der Linsenprobe eines Menschen mittleren Alters identifiziert, um dann Unterschiede der Viskosität aufzufinden. „Damit wurde einer der bislang direktesten Beweise für die Bildung einer ‚Diffusionsbarriere‘ erbracht“, ergänzt Sherin. „Für die Bestätigung werden allerdings noch statistisch signifikante Daten benötigt.“ Wie das Projekt an Augenlinsenzellen von Schweinen belegte, werden die Membranen deutlich weniger steif (sondern flüssiger), wenn sie mit UV-Licht bestrahlt werden. Dieses unerwartete Ergebnis ist eine Möglichkeit, künftig die erhöhte Linsensteifigkeit bei älteren Menschen zu kompensieren, indem die Linse mit einer Mindestmenge an Nährstoffen versorgt wird. „Vor allem demonstrierte das Projekt die Eignung dieser Kombination aus FLIM und molekularen Rotoren zur Visualisierung wichtiger Eigenschaften des Gewebes in den Augenlinsen“, sagt Kuimova. „Die Informationen könnten eine Grundlage für die Entwicklung neuer therapeutischer Strategien gegen Grauen Star sein, da eine Operation die bislang einzige Option ist.“ Der nächste große Schritt ist die Suche nach den molekularen Mechanismen als Auslöser der zunehmenden Steifigkeit. Geklärt werden muss etwa, welche chemischen Substanzen und Reaktionen daran beteiligt sind, um künftig neue medizinische Alternativen zum operativen Eingriff zu bieten.

Schlüsselbegriffe

Cata-rotors, Auge, Grauer Star, Mikroskopie, FLIM, Fluoreszenzlebensdauer-Mikroskopie, Linse, Alterung, molekular

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