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Medizin

18. Oktober 2012 Biologische Marker für die Darstellung kleinster molekularer Prozesse in lebenden Zellen

Modernste optische Technologien wie die Stimulated Emission Depletion (STED) Mikroskopie erlauben einen faszinierenden Blick in das Innere lebender Zellen. Kleinste Strukturen und molekulare Abläufe lassen sich mit Hilfe dieser Technologie exakt darstellen. Sogar einzelne Moleküle in Zellen werden sichtbar und ihre Bewegungen lassen sich unter dem STED-Mikroskop in Echtzeit verfolgen. Und doch waren bisher auch der hoch-auflösenden STED-Mikroskopie Grenzen gesetzt. Der Grund: Wirklich erkennbar werden einzelne Moleküle erst dann, wenn sie sich vorher erfolgreich mit geeigneten Farbstoffen markieren lassen.

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Konventionelle Antikörper, die in der Regel für die spezifische Markierung von Molekülen genutzt werden, sind jedoch oft zu groß, um an schwer zugängliche Moleküle andocken zu können. Den Forschern Prof. Dr. Silvio O. Rizzoli und Dr. Felipe Opazo vom European Neuroscience Institut (ENI) und dem Exzellenzcluster „Mikroskopie im Nanometerbereich“ am DFG-Forschungszentrum Molekularphysiologie des Gehirns (CMPB) der Universitätsmedizin Göttingen ist es nun gelungen, geeignete Marker zu identifizieren, die kleiner sind als Antikörper. In ihrer jüngsten Publikation beschreiben sie den Einsatz von sogenannten Aptameren. Ihre geringe Größe erlaubt es, an deutlich mehr Strukturen zu binden, die in lebenden Zellen für Antikörper nicht oder nur schwer zugänglich sind. In Kombination mit der STED-Mikroskopie kann durch Verwendung solcher Aptamere eine noch exaktere Auflösung zellulärer Strukturen erreicht werden als bisher. Die Forschungsergebnisse sind im Oktober 2012 in der renommierten wissenschaftlichen Fachzeitschrift NATURE METHODS veröffentlicht worden.

„Molekulare Marker müssen eine sehr effiziente Bindung sowie eine hohe Stabilität aufweisen, um einzelne Zielmoleküle exakt darstellen zu können. Diese Kriterien erfüllen die Aptamere perfekt“, sagt Dr. Opazo, Erst-Autor der Publikation. Bei Aptameren handelt es sich um kleine einzelsträngige Nukleinsäuremoleküle. Ähnlich dem Schlüssel-Schloss-Prinzip erkennen und binden sie passgenau an zelluläre Zielstrukturen. Eine ähnlich hohe Effektivität konnte bisher nur mit Antikörpern erreicht werden.



STED-mikroskopische Aufnahmen zeigen eine deutlich bessere Auflösung endosomaler Strukturen nach Markierung mit einem Tfn Rezeptor-spezifischen Aptamer (rechts) im Vergleich zur Verwendung eines entsprechenden Antikörpers (links). (Abb.: cmpb)

In Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des Max-Planck Instituts für Biophysikalische Chemie und des Laser Laboratoriums in Göttingen sowie der Universität Erlangen, des Albert Einstein College of Medicine in New York und der University of Texas konnten die Göttinger Forscher belegen: Die Markierung durch Aptamere verbessert die optische Auflösung von Zielmolekülen mittels STED-Mikroskopie gegenüber konventionellen Antikörpern erheblich. Zudem können Aptamere deutlich kostengünstiger, in beliebiger Größe und ohne den Einsatz von Tierversuchen mit Standard-Laborequipment chemisch synthetisiert werden.

„Dies und ihre Fähigkeit, Zielstrukturen direkt zu binden, hebt sie auch von den erst kürzlich im Zusammenhang mit hoch-auflösender Mikroskopie beschriebenen Nanobodies ab“, sagt Prof. Dr. Silvio Rizzoli, Senior-Autor der Publikation. Besonders kleine Aptamere binden dabei besser an schwer zugängliche Strukturen und zeigen eine erhöhte Spezifität. Als Zielstrukturen dienten Moleküle, die bei der Bewegung von Endosomen eine Rolle spielen, die für die Zell-Zell-Kommunikation wichtig sind. Spektakuläre Abbildungen aus der Arbeit von Dr. Opazo zeigen, dass nun sogar kleinste endosomale Strukturen in hoher Auflösung visualisiert und deren Bewegungen in lebenden Zellen verfolgt werden können.

Der erfolgreiche Einsatz von Aptameren für die spezifische Markierung kleinster Zielmoleküle in unterschiedlichen Zellsystemen bedeutet einen weiteren Fortschritt für die Anwendung hoch-auflösender bildgebender Verfahren. Aptamere wurden zudem bereits im Vorfeld erfolgreich für das gezielte Ausschalten von Genen und in der Krebstherapie angewandt.

Literaturhinweis:
Felipe Opazo, Matthew Levy, Michelle Byrom, Christina Schäfer, Claudia Geisler, Teja W. Groemer, Andrew D. Ellington and Silvio O. Rizzoli. Aptamers as potential tools for super-resolution microscopy. NATURE METHODS (2012) Oct, 9(10):938-9
Link: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/23018995

Quelle: Universitätsmedizin Göttingen


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