Lebendzellmikroskopie bei vordefinierter Sauerstoffkonzentration
Beim Atmen gelangt in der Luft befindlicher Sauerstoff über das Blut in den Körper und gewährleistet dort die Energieversorgung. Da der normale Sauerstoffgehalt im Gewebe vier bis neun Prozent beträgt, ist er deutlich niedriger als der Sauerstoffgehalt der Luft (21 %). Liegt die Sauerstoffkonzentration über oder unter dem Normalwert (Hyperoxie bzw. Hypoxie), können Zellen und Gewebe Schaden nehmen. Ein Beispiel hierfür ist Ischämie, d. h. Sauerstoffmangel aufgrund mangelnder Durchblutung, die zu Herzinfarkt oder Muskelübersäuerung bei sportlichen Aktivitäten führen kann. Aufgrund der schlechten Durchblutung in großen soliden Tumoren herrschen auch dort in der Regel hypoxische Bedingungen vor, wodurch sich die Heilungsaussichten verschlechtern.
Innovative Mikroskopiekammer zur Einstellung des Sauerstoffgehalts
Zellbasierte Assays werden routinemäßig in der Arzneimittelforschung verwendet, die für den wachsenden medizinischen Bedarf von zentraler Bedeutung ist. Die meisten Studien arbeiten dabei mit Lebendzellmikroskopie und leistungsstarken Fluoreszenzreportern, um in Echtzeit und mit hoher Auflösung einzelne Signale in lebenden Zellen sichtbar zu machen. Bei diesen Studien entspricht der Sauerstoffgehalt jedoch den Umgebungsbedingungen (Luftsauerstoff), was für Zellen zu sauerstoffreich ist. Unterstützt durch die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen(öffnet in neuem Fenster) (MSCA) entwickelte das Projekt MICROX eine luftdicht abgeschlossene Mikroskopiekammer, in der der Sauerstoffwert eingestellt werden kann. „Indem wir die In-vivo-Bedingungen für Zellen/Gewebe nachstellten, konnten wir die Zuverlässigkeit und Aussagefähigkeit von Zellassays verbessern“, erklärt Projektkoordinator Kees Jalink(öffnet in neuem Fenster). Unter einem Mikroskop echte hypoxische Bedingungen zu erzeugen und gleichzeitig zu gewährleisten, dass Zellen ausreichend Hormone und Medikamente aufnehmen können, damit deren Signalmechanismen untersucht werden können, war bislang eher schwierig. Mit der vom Projekt entwickelten Mikroskopiekammer wurden nun Routineexperimente mit unterschiedlichen Sauerstoffkonzentrationen durchgeführt. Wie sich zeigte, ließ sich die Gaszusammensetzung (Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid) innerhalb weniger Minuten verändern und absolute Hypoxie mit zuverlässigen Sauerstoffwerten unter 0,5 % erzeugen. Das MICROX-Setup ist damit bisherigen kommerziellen Lösungen deutlich überlegen.
Zelluläre Signalgebung bei unterschiedlicher Sauerstoffkonzentration
Die Forschenden validierten unter hypoxischen Bedingungen auch die Funktionalität verfügbarer Fluoreszenzsensoren und untersuchten den Einfluss unterschiedlich hoher Sauerstoffkonzentration auf wichtige Zellsignale. Schwerpunkt war das Nukleotid Adenosin-3’,5’-zyklische Monophosphat(öffnet in neuem Fenster) cAMP, ein wichtiger sekundärer Botenstoff in zahlreichen Signaltransduktionswegen, der von Zelloberflächenrezeptoren empfangene extrazelluläre in intrazelluläre Signale umwandelt. cAMP hat einen schnellen Lebenszyklus und reguliert verschiedene Zellfunktionen wie Zellwachstum und -differenzierung, Gentranskription und Proteinexpression. Marie-Curie-Forschungsstipendiatin Olga Kukk erklärt dazu: „Obwohl langfristige Hypoxie den Hypoxie-induzierbaren Faktor 1 aktiviert und die Gentranskription moduliert, vermuteten wir, dass die unmittelbare (Sekunden bis wenige Stunden andauernde) Wirkung von Hypoxie auf die zelluläre Signalgebung transkriptionsunabhängig ist.“ Diese interessante Hypothese konnte allerdings in mehreren schnellen Signalsystemen von den Forschenden nicht verifiziert werden, da keine Signalveränderung feststellbar war.
Potenzial des MICROX-Mikroskops für die Wirkstoffforschung
Mit dem MICROX-Mikroskop können vollständig atmosphärische Bedingungen geschaffen werden, was ein wichtiger Schritt hin zur Etablierung physiologischer Zellassays für das Screening biologisch aktiver Substanzen wäre. Es könnte auch die Erforschung dynamischer Ereignisse in lebenden Zellen vereinfachen, wofür eine spezifische zeitlich-räumliche Auflösung erforderlich ist.
