Infrarotspektroskopisches Imagingsystem
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die molekulare und personalisierte Medizin sind gegenwärtig zwei wichtige strategische Konzeptionen in der Medizin. Im Mittelpunkt stehen dabei u.a. die Aufdeckung molekularer Vorgänge und Zustände bei der Entstehung von Krankheiten, während des therapeutischen Prozesses und von Regenerationsprozessen. Die Infrarotspektroskopie, als Methode der optischen Molekülspektroskopie, zählt zu den bioanalytischen Verfahren mit dem höchsten Informationsgehalt über die molekulare Struktur und Wechselwirkungen von Verbindungen. Da aufgrund der Komplexität biologischer Systeme auch die laterale Verteilung von Merkmalen eine wichtige Rolle spielt, lassen sich mit dem infrarotspektroskopischen Imagingspektrometer Zellen und Gewebe präzise erfassen, abgrenzen und letztlich hinsichtlich ihrer biochemischen Strukturmerkmale charakterisieren. Das Spektrometer wurde in den zurückliegenden Jahren schwerpunktmäßig in mehreren Forschungsprojekten eingesetzt, die sich mit molekularen Merkmalen zur Abgrenzung von Gewebe und Zellen, zur Aufdeckung von pathologischen Veränderungen und zur Charakterisierung regenerativer Prozesse befassen. Die Untersuchungen konzentrierten sich dabei auf Nervenzellen und Hirngewebe. So gelang es beispielsweise den Differentiationsprozess humaner neuraler Stammzellen auf molekularem Niveau zu verfolgen und spektrale, d.h. molekulare, Merkmale differenzierter Zellen zu beschreiben. Umfangreiche Untersuchungen betrafen die Abgrenzung verschiedener onkologischer Pathologien des Gehirns von regelgerechtem Gewebe. Obgleich diese Arbeiten an präparierten Gewebeproben ex vivo durchgeführt wurden, stellten sie eine wichtige Grundlage für die Translation der optischen Molekülspektroskopie in die intra-operative Anwendung dar. Weiterhin konnten Zellen der Hypophyse hinsichtlich hgh (Human Growth Hormone) positiv und hgh-negativ differenziert werden. Ziel ist es dabei, mittels der vergleichsweise schnellen molekularen Charakterisierung intraoperative Entscheidungen zu unterstützen und somit den therapeutischen Eingriff zu optimieren. Weitere Arbeiten befassten sich mit Tumorzellen des Glioblastoms, bei denen das Protein Isozitratdehydrogenase 1 (IDH1) verändert ist. Mutationen in IDH1 beeinflussen maßgeblich den therapeutischen Zugang zu dem Tumor. Mit Hilfe des Spektrometers wurden verschiedene Tumorproben von Tiermodellen untersucht, wobei sich mutierte Formen erkennen und abgrenzen ließen. Eingesetzt wurde das Spektrometer zur Charakterisierung molekularer Prozesse bei der Regeneration des Rückenmarks. Anhand einer Serie von Tierversuchen am Axolotl konnten Phasen des Regenerationsprozesses bei Rückenmarksläsionen beobachtet und beschrieben werden. Diese Arbeiten dienen in erster Linie dem Verständnis der Regenerationsprozesse von neurologischem Gewebe. Dabei wurde auch der Einfluss von Alginat zur Unterstützung der Regeneration analysiert. Es zeigt sich, dass Alginat hauptsächlich die Bildung von Nekrosen und Entzündungsprozessen unterdrückt. Erstmalig wurde die IR-Spektroskopie auch zur Charakterisierung der Vernetzung von Kollagenfasern der Cornea eingesetzt. Die Kollagenvernetzung mit Riboflavin und UVA-Licht ist ein Therapieverfahren, welches am Universitätsklinikum der TU Dresden entwickelt wurde, um die mechanische Stabilität des Hornhautgewebes im Auge wiederherzustellen. Die Behandlungsmethode findet Anwendung bei Erkrankungen, die mit pathologischen Veränderungen von Form und Dicke der Cornea einhergehen. Am häufigsten wird die Vernetzungsbehandlung beim Keratokonus, einer kegelförmigen Verwölbung der Cornea, eingesetzt. Durch das Verfahren werden photochemisch neue Quervernetzungen innerhalb des Kollagens erzeugt, durch die das Fortschreiten des Keratokonus gestoppt und eine mögliche Hornhauttransplantation vermieden werden kann. Bislang wenig verstanden sind jedoch die Art und Prozesse, die zur Entstehung der Quervernetzungen führen. Im Projekt werden die molekularen Mechanismen der Vernetzung u.a. mittels infrarotspektroskopischen Imaging untersucht. Die molekülspektroskopischen Ergebnisse zeigen, dass die Vernetzung sehr wahrscheinlich über Seitenketten von Kollagen abläuft. Weiterhin wird das Spektrometer für Untersuchungen der Magenschleimhaut und für die Charakterisierung von Polymer-Hydrogel Verbunde eingesetzt. Einen großen Schwerpunkt nehmen Arbeiten zur spektroskopischen Geschlechtsbestimmung des Hühnereies ein. Mit dem Spektrometer konnte erstmalig gezeigt werden, dass Zellen des embryonalen Hühnerblutes geschlechtsspezifische Informationen tragen. Diese Arbeiten waren eine essentielle Grundlage für die in ovo Anwendungen der Molekülspektroskopie. Ziel des Projektes ist die Entwicklung einer Methode zur Identifizierung des Geschlechts am wenige Tage bebrüteten Hühnerei um das millionfache Töten männlicher Eintagsküken zu vermeiden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- „Vibrational spectroscopy imaging and multiphoton microscopy of spinal cord injury“ Anal. Chem.,84 (2012), 8707-8714
R. Galli, O. Uckermann, M. G. Winterhalder, K. H. Sitoci-Ficici, K. D. Geiger, E. Koch, G. Schackert, A. Zumbusch, G. Steiner, M. Kirsch
- “Chemical reactions between Poly(carbonate) and Poly(vinyl amine) thermally induced by a high magnetic field pulse” Polymer, (2013), 360-366
C. Zimmerer, G. Heinrich, F. Wolff-Frabris, E. Koch, G. Steiner
- “Molecular imaging of paper cross sections by FT-IR spectroscopy and principal component analysis” Anal. Bioanal. Chem., 405 (2013), 5421-5430
S. Genest, R. Salzer, G. Steiner
- “Identification of kidney tumor tissue by infrared spectroscopy of extracellular matrix” J. Biomed. Optics, 19 (2014), 087005
V. Urboniene, M. Pucetaite, F. Jankevicius, A. Zelvys, V. Sablinskas, G. Steiner
(Siehe online unter https://doi.org/10.1117/1.JBO.19.8.087005) - “Label-Free Delineation of Brain Tumors by Coherent Anti-Stokes Raman Scattering Microscopy in an Orthotopic Mouse Model and Human Glioblastoma” PLOS One, 9 (2014), e107115
O. Uckermann, R. Galli, S. Tamosaityte, E. Leipnitz, K.D. Geiger, G. Schackert, E. Koch, G. Steiner, M. Kirsch
(Siehe online unter https://doi.org/10.1371/journal.pone.0107115) - „Label-freeidentification of the glioma stem-like cell fraction using Fourier-transform infrared spectroscopy” International J. Radiation Biology, (2014)
O. Uckermann, R. Galli, M. Anger, C. Herold- Mende, E. Koch, G. Schackert, G. Steiner, M. Kirsch
(Siehe online unter https://doi.org/10.3109/09553002.2014.899447) - „Optical Biochemical Imaging: Potential New Applications in Neuro-Oncology“ Eur. Assoc. Neurooncol. Mag., 4 (2014), 20 – 26
O. Uckermann, R. Galli, L. Mackenroth, K. D. Geiger, G. Steiner, E. Koch, G. Schackert, M. Kirsch
- “Biochemical monitoring of spinal cord injury by FT-IR spectroscopy – Effects of therapeutic alginate in rat models” PLOS One 10 (2015), e0142660
S. Tamosaityte, R. Galli, O. Uckermann, K. H. Sitoci-Ficici, R. Later, R. Beiermeister, F. Doberenz, M. Gelinsky, E. Leipnitz, G. Schackert, E. Koch, V. Sablinskas, G. Steiner, M. Kirsch
(Siehe online unter https://doi.org/10.1371/journal.pone.0142660) - Label free molecular sexing of monomorphic. Talanta 150 (2016), 155 – 161
G. Steiner, G. Preuße, C. Zimmerer, M.E. Krautwald-Junghanns, V. Sablinskas, H. Fuhrmann, E. Koch, T. Bartels
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.talanta.2015.12.008)
