Kleines in Zellen beobachten

Kleine Fluorophore für die optische Bildgebung von Metaboliten in lebenden Zellen

  • Die Fluoreszenzfarbstoffe emittieren Licht im sichtbaren bis nahen Infrarotbereich und können leicht an gängige Metaboliten gebunden werden  (Quelle: Wiley-VCH)Die Fluoreszenzfarbstoffe emittieren Licht im sichtbaren bis nahen Infrarotbereich und können leicht an gängige Metaboliten gebunden werden (Quelle: Wiley-VCH)

Zellen reagieren auf Störungen häufig mit einem veränderten Stoffwechsel. Die Veränderung in den Metaboliten direkt zu beobachten ist schwierig. Britische Wissenschaftler haben nun in einer internationalen Kooperation neue, kleine Fluorophore namens SCOTfluors entwickelt. Die Fluoreszenzfarbstoffe emittieren Licht im sichtbaren bis nahen Infrarotbereich und können leicht an gängige Metaboliten gebunden werden. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Angewandte Chemie veröffentlicht.

Metaboliten markieren für die Mikroskopie

Wenn eine lebende Zelle aufgrund eines externen Signals oder anderer Störungen ihren Stoffwechsel verändert, ändern sich auch Konzentration und Wanderungsbewegung der Metaboliten. Diese Stoffwechselprodukte sind in der Regel kleine Moleküle wie Glucose oder Milchsäure und für das Mikroskop vollkommen unsichtbar. Um metabolische Veränderungen aufzuzeichnen, müssen die Zellen daher zumeist zerstört und das Metabolom extrahiert werden. Oder aber die Metaboliten werden mit einem Farbstoff markiert, und dieser Farbstoff wird durch sein Fluoreszenzsignal unter dem Mikroskop nachgewiesen.

Alternative Struktur für Fluoreszenzfarbstoffe

Nun sind die Moleküle solcher Fluoreszenzfarbstoffe aber zumeist wesentlich größer als die der zu markierenden Metaboliten. Ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Marc Vendrell von der University of Edinburgh (Großbritannien) hat sich zum Ziel gesetzt, die bisher kleinsten Fluorophore zu entwickeln, die an typische Metaboliten wie Lipide, Zucker und Carbonsäuren gebunden werden können.

Fluoreszenzfarbstoffe enthalten in der Regel ein aromatisches konjugiertes Elektronensystem bestehend aus mehreren kondensierten Kohlenwasserstoffringen. Um die Farbstoffe so klein wie möglich zu machen, arbeiteten die Wissenschaftler mit Nitrobenzodiazolen. Diese Fluoreszenzfarbstoffe enthalten nur einen Benzolring, eine elektronisch aktive Nitrogruppe und einen ankondensierten Diazoring.

Diese Struktur erwies sich in zweierlei Hinsicht als vorteilhaft: Erstens ist sie im Vergleich zu anderen Fluoreszenzfarbstoffen wirklich klein, und zweitens konnten die Wissenschaftler die Emissionswellenlängen durch Variation nur eines Elements im Molekül einstellen, den Austausch einer Sauerstoff mit einer Stickstoff-, Schwefel-, Selen- oder Kohlenstoffgruppe.

Nutzen für  die Diagnostik

Um die Metabolitenmarkierung und -beobachtung zu überprüfen, banden die Wissenschaftler die Fluorophore entweder an das Sphingolipid Ceramid, Glucose oder Milchsäure. Dann gaben sie die markierten Metaboliten zu Kulturen von menschlichen Zellen und identifizierten die Metaboliten in den jeweiligen Organellen. Es war sogar möglich, die Recyclingrate von Milchsäure (Lactat) in hypoxischen oder normoxischen Zellen – das heißt Zellen, die unterschiedliche Mengen an Sauerstoff enthalten, wie es charakteristisch für Krebszellen ist – zu ermitteln. Sie fütterten auch markierte Glucose an Zebrafischembryonen und beobachteten, wie die Glucose in das sich entwickelnde Gehirn aufgenommen wurde.

Ein weiterer Vorteil dieser SCOTfluors genannten Mini-Fluorophore, so die Autoren, sei neben der Lokalisierung die einfache Veränderung ihrer Farbnuance. Mit dem gleichen molekularen Gerüst und mit ähnlichen Synthesestufen stellten sie verschiedenfarbige Fluorophore her und markierten damit unterschiedliche Metaboliten. Damit war es möglich, gleichzeitig das Aufnahmeprofil des jeweiligen Metaboliten in der Zelle nichtinvasiv zu beobachten.

Diese Arbeit zeigt, wie neue, kleine Fluorophore Licht in das Dunkel der Stoffwechselmechanismen lebender Zellen bringen können.

Originalveröffentlichung:

Sam Benson, Dr. Antonio Fernandez, Nicole D. Barth, Dr. Fabio de Moliner, Dr. Mathew H. Horrocks, Prof. C. Simon Herrington, Prof. Jose Luis Abad, Prof. Antonio Delgado, Dr. Lisa Kelly, Dr. Ziyuan Chang, Dr. Yi Feng, Miyako Nishiura, Dr. Yuichiro Hori, Prof. Kazuya Kikuchi, Dr. Marc Vendrell: SCOTfluors: Small, Conjugatable, Orthogonal, and Tunable Fluorophores for In Vivo Imaging of Cell Metabolism. Angewandte Chemie (2019); DOI: 10.1002/ange.201900465

Weitere Informationen:

Angewandte Chemie

University of Edinburgh

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