Medizin am Abend Fazit: Krebs: Zuckermoleküle weisen den Weg
Ob Körperzellen krankhaft entarten, kann man im Prinzip schon auf ihrer
Oberfläche anhand veränderter Zuckerverbindungen ablesen. Wissenschaftlern
am Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie (FMP) ist es nun
gelungen, Zellen mit bestimmten Zuckerverbindungen mittels der neuartigen
Xenon-Kernspintomographie zu lokalisieren.
Das eröffnet die Möglichkeit, Krebs- und Entzündungsherde auch tief in den Gewebsschichten aufzuspüren.
Zu den charakteristischen Eigenschaften von Zellen gehören nicht nur Gene
und Proteine, sondern auch Glykane – komplexe Zuckerverbindungen, mit
denen ihre Oberflächen gespickt sind. Insgesamt neun verschiedene
Einzelzucker werden hierfür auf unterschiedlichste Art zu verzweigten
Molekülen oder auch längeren Ketten verknüpft und an Proteine und Lipide
gehängt. Noch steht die Biologie erst am Anfang, den „Glykan-Code“ zu
entschlüsseln – doch schon länger ist bekannt, dass sich mit dem Einsetzen
von Krebs oder Entzündungsprozessen auch die Struktur der Glykane auf den
Zelloberflächen ändert. So findet man auf Tumorzellen beispielsweise
vermehrt Sialinsäuren vor – und je mehr Sialinsäuren eine Krebszelle
trägt, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit für die Bildung von
Metastasen.
Die Glykanmuster auf den Zellen zu erforschen, ist allerdings alles andere
als einfach. Ein wichtiger Durchbruch bestand darin, bestimmte Glykane mit
Fluoreszenzfarbstoffen zu markieren und dann Zellkulturen oder auch kleine
durchscheinende Organismen wie Zebrafische mittels Lichtmikroskopie zu
untersuchen. Dagegen gab es bislang kaum Möglichkeiten, diese auch im
Körper eines Säugetiers zu lokalisieren. „Schon seit Jahren gab es
Versuche, mit bestimmten Zuckerbausteinen markierte Glykane auch durch
Kontrastmittel im Kernspintomographen sichtbar zu machen, doch mit den
herkömmlichen Methoden sind sie nicht aufspürbar, weil sie nicht selektiv
genug markiert werden konnten“, sagt Chris Witte, einer der beiden
Erstautoren der nun publizierten Arbeit. Mit der nun im renommierten
Fachmagazin „Angewandte Chemie“ veröffentlichten Arbeit könnte sich das
ändern: Darin gelang es den FMP-Forschern, in einem Modellsystem Zellen
anhand markierter Sialinsäuren mittels Kernspintomographie zu
lokalisieren. Möglich wurde dies durch die Zusammenarbeit der
Arbeitsgruppen von Christian Hackenberger und Leif Schröder, die beide an
dem interdisziplinären Leibniz-Institut forschen.
Schon länger entwickelt der Physiker Leif Schröder dort die potentiell
bahnbrechende Xenon-Kernspintomographie. Bei der herkömmlichen
Kernspintomographie nutzt man die Eigenschaft von Wasserstoffatomen aus,
in starken Magnetfeldern selbst zu winzigen Magneten zu werden, die dann
mit Radiowellen in Resonanz treten können und so Signale aussenden. Die
Xenon-Kernspintomographie dagegen setzt als Signalgeber hyperpolarisiertes
Xenon Edelgas ein, das 100.000-fach stärkere Signale als Wasserstoff
aussendet und in Kombination mit Biosensoren zum molekularen Spürhund
wird. In einer Reihe von Veröffentlichungen hat Leif Schröder bereits das
Potential dieser Methode für klinische Anwendungen demonstriert –
Patienten könnten einmal Xenon inhalieren, das ungiftige Edelgas würde
sich dann über den Blutkreislauf im Körper verteilen.
Durch die Zusammenarbeit mit dem Chemiker Christian Hackenberger ist nun
klargeworden, dass sich die Xenon-Kernspintomographie auch dafür eignet,
Glykane in undurchsichtigen größeren Organismus zu erforschen.
Hackenberger setzte dafür Methoden der “bioorthogonalen Chemie” ein –
damit bezeichnet man chemische Veränderungen an Biomolekülen, die in
lebenden Zellen oder sogar in Tieren durchgeführt werden können. In dem
Versuch erhielten die Zellen in Kulturschalen zunächst für einige Tage ein
besonderes Nährmedium – es enthielt den gewöhnlichen Zucker Mannose, der
aber durch eine Azidgruppe chemisch modifiziert war. Die so veränderte
Mannose wird von den Zellen ganz normal verstoffwechselt und in Glykane
wie Sialinsäuren eingebaut.
Nun fügten die Forscher eine zweite Komponente hinzu: „Dieser molekulare
Sensor reagiert quasi auf Knopfdruck und geht eine spezifische und feste
Verbindung mit der Azidgruppe an der Sialinsäure ein“, erklärt die zweite
Erstautorin Vera Martos. An diesen Sensor hatten die Chemiker wiederum ein
käfigartiges Molekül geheftet, das Xenon-Atome einfängt. Das Resultat: Die
markierten Zellen leuchteten im Xenon-Kernspintomographen auf und es
entstanden Aufnahmen, in denen sich markierte Zellen von anderen deutlich
im Kontrast abgrenzten – aufgenommen mittels Magnetfeld und Radiowellen.
Zwar wurden die Zellen bisher nur in einer eigens gebauten Apparatur
lokalisiert, die als Modell für ein Organ oder einen ganzen Organismus
dient. Trotzdem zeigt das Experiment deutlich das Potenzial der Methode,
die Glykanmuster auch in Versuchstieren wie beispielsweise in Mäusen zu
orten. “Denkbar ist, dass wir die Entwicklung entarteter Zellen innerhalb
der Tiere verfolgen werden”, spekuliert Leif Schröder. “Auf diese Weise
könnte man einmal mehr über die Rolle der Glykane herausfinden.”
Das Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie (FMP) gehört zum
Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB), einem Zusammenschluss von acht
natur-, lebens- und umweltwissenschaftlichen Instituten in Berlin. In
ihnen arbeiten mehr als 1.500 Mitarbeiter. Die vielfach ausgezeichneten
Einrichtungen sind Mitglieder der Leibniz-Gemeinschaft. Entstanden ist der
Forschungsverbund 1992 in einer einzigartigen historischen Situation aus
der ehemaligen Akademie der Wissenschaften der DDR.
Medizin am Abend DirektKontakt:
Prof. Dr. Christian Hackenberger
Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie (FMP)
hackenbe (at) fmp-berlin.de
Tel.: 0049 30 94793-181
Dr. Leif Schröder
Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie (FMP)
lschroeder (at) fmp-berlin.de
Tel.: 0049 30 94793-121
Silke Oßwald
Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie (FMP)
osswald (at) fmp-berlin.de
Tel.: 0049 30 94793-104
Text: Birgit Herden
Chemie trifft Physik – Mit der Xenon-Kernspintomographie können Glykane
im MR-Tomographen (MRT) erforscht werden: An den Sensor, der mit der
Azidgruppe an der Sialinsäure des Glykans reagiert, wurde ein käfigartiges
Molekül geheftet, das Xenon-Atome einfängt. Die markierten Zellen
leuchteten im Xenon-MRT auf und grenzen sich von anderen deutlich im
Kontrast ab.
Ob Körperzellen krankhaft entarten, kann man im Prinzip schon auf ihrer
Oberfläche anhand veränderter Zuckerverbindungen ablesen. Wissenschaftlern
am Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie (FMP) ist es nun
gelungen, Zellen mit bestimmten Zuckerverbindungen mittels der neuartigen
Xenon-Kernspintomographie zu lokalisieren.
Das eröffnet die Möglichkeit, Krebs- und Entzündungsherde auch tief in den Gewebsschichten aufzuspüren.
Zu den charakteristischen Eigenschaften von Zellen gehören nicht nur Gene
und Proteine, sondern auch Glykane – komplexe Zuckerverbindungen, mit
denen ihre Oberflächen gespickt sind. Insgesamt neun verschiedene
Einzelzucker werden hierfür auf unterschiedlichste Art zu verzweigten
Molekülen oder auch längeren Ketten verknüpft und an Proteine und Lipide
gehängt. Noch steht die Biologie erst am Anfang, den „Glykan-Code“ zu
entschlüsseln – doch schon länger ist bekannt, dass sich mit dem Einsetzen
von Krebs oder Entzündungsprozessen auch die Struktur der Glykane auf den
Zelloberflächen ändert. So findet man auf Tumorzellen beispielsweise
vermehrt Sialinsäuren vor – und je mehr Sialinsäuren eine Krebszelle
trägt, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit für die Bildung von
Metastasen.
Die Glykanmuster auf den Zellen zu erforschen, ist allerdings alles andere
als einfach. Ein wichtiger Durchbruch bestand darin, bestimmte Glykane mit
Fluoreszenzfarbstoffen zu markieren und dann Zellkulturen oder auch kleine
durchscheinende Organismen wie Zebrafische mittels Lichtmikroskopie zu
untersuchen. Dagegen gab es bislang kaum Möglichkeiten, diese auch im
Körper eines Säugetiers zu lokalisieren. „Schon seit Jahren gab es
Versuche, mit bestimmten Zuckerbausteinen markierte Glykane auch durch
Kontrastmittel im Kernspintomographen sichtbar zu machen, doch mit den
herkömmlichen Methoden sind sie nicht aufspürbar, weil sie nicht selektiv
genug markiert werden konnten“, sagt Chris Witte, einer der beiden
Erstautoren der nun publizierten Arbeit. Mit der nun im renommierten
Fachmagazin „Angewandte Chemie“ veröffentlichten Arbeit könnte sich das
ändern: Darin gelang es den FMP-Forschern, in einem Modellsystem Zellen
anhand markierter Sialinsäuren mittels Kernspintomographie zu
lokalisieren. Möglich wurde dies durch die Zusammenarbeit der
Arbeitsgruppen von Christian Hackenberger und Leif Schröder, die beide an
dem interdisziplinären Leibniz-Institut forschen.
Schon länger entwickelt der Physiker Leif Schröder dort die potentiell
bahnbrechende Xenon-Kernspintomographie. Bei der herkömmlichen
Kernspintomographie nutzt man die Eigenschaft von Wasserstoffatomen aus,
in starken Magnetfeldern selbst zu winzigen Magneten zu werden, die dann
mit Radiowellen in Resonanz treten können und so Signale aussenden. Die
Xenon-Kernspintomographie dagegen setzt als Signalgeber hyperpolarisiertes
Xenon Edelgas ein, das 100.000-fach stärkere Signale als Wasserstoff
aussendet und in Kombination mit Biosensoren zum molekularen Spürhund
wird. In einer Reihe von Veröffentlichungen hat Leif Schröder bereits das
Potential dieser Methode für klinische Anwendungen demonstriert –
Patienten könnten einmal Xenon inhalieren, das ungiftige Edelgas würde
sich dann über den Blutkreislauf im Körper verteilen.
Durch die Zusammenarbeit mit dem Chemiker Christian Hackenberger ist nun
klargeworden, dass sich die Xenon-Kernspintomographie auch dafür eignet,
Glykane in undurchsichtigen größeren Organismus zu erforschen.
Hackenberger setzte dafür Methoden der “bioorthogonalen Chemie” ein –
damit bezeichnet man chemische Veränderungen an Biomolekülen, die in
lebenden Zellen oder sogar in Tieren durchgeführt werden können. In dem
Versuch erhielten die Zellen in Kulturschalen zunächst für einige Tage ein
besonderes Nährmedium – es enthielt den gewöhnlichen Zucker Mannose, der
aber durch eine Azidgruppe chemisch modifiziert war. Die so veränderte
Mannose wird von den Zellen ganz normal verstoffwechselt und in Glykane
wie Sialinsäuren eingebaut.
Nun fügten die Forscher eine zweite Komponente hinzu: „Dieser molekulare
Sensor reagiert quasi auf Knopfdruck und geht eine spezifische und feste
Verbindung mit der Azidgruppe an der Sialinsäure ein“, erklärt die zweite
Erstautorin Vera Martos. An diesen Sensor hatten die Chemiker wiederum ein
käfigartiges Molekül geheftet, das Xenon-Atome einfängt. Das Resultat: Die
markierten Zellen leuchteten im Xenon-Kernspintomographen auf und es
entstanden Aufnahmen, in denen sich markierte Zellen von anderen deutlich
im Kontrast abgrenzten – aufgenommen mittels Magnetfeld und Radiowellen.
Zwar wurden die Zellen bisher nur in einer eigens gebauten Apparatur
lokalisiert, die als Modell für ein Organ oder einen ganzen Organismus
dient. Trotzdem zeigt das Experiment deutlich das Potenzial der Methode,
die Glykanmuster auch in Versuchstieren wie beispielsweise in Mäusen zu
orten. “Denkbar ist, dass wir die Entwicklung entarteter Zellen innerhalb
der Tiere verfolgen werden”, spekuliert Leif Schröder. “Auf diese Weise
könnte man einmal mehr über die Rolle der Glykane herausfinden.”
Das Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie (FMP) gehört zum
Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB), einem Zusammenschluss von acht
natur-, lebens- und umweltwissenschaftlichen Instituten in Berlin. In
ihnen arbeiten mehr als 1.500 Mitarbeiter. Die vielfach ausgezeichneten
Einrichtungen sind Mitglieder der Leibniz-Gemeinschaft. Entstanden ist der
Forschungsverbund 1992 in einer einzigartigen historischen Situation aus
der ehemaligen Akademie der Wissenschaften der DDR.
Medizin am Abend DirektKontakt:
Prof. Dr. Christian Hackenberger
Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie (FMP)
hackenbe (at) fmp-berlin.de
Tel.: 0049 30 94793-181
Dr. Leif Schröder
Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie (FMP)
lschroeder (at) fmp-berlin.de
Tel.: 0049 30 94793-121
Silke Oßwald
Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie (FMP)
osswald (at) fmp-berlin.de
Tel.: 0049 30 94793-104
Text: Birgit Herden
Chemie trifft Physik – Mit der Xenon-Kernspintomographie können Glykane
im MR-Tomographen (MRT) erforscht werden: An den Sensor, der mit der
Azidgruppe an der Sialinsäure des Glykans reagiert, wurde ein käfigartiges
Molekül geheftet, das Xenon-Atome einfängt. Die markierten Zellen
leuchteten im Xenon-MRT auf und grenzen sich von anderen deutlich im
Kontrast ab.
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