Powered by

Körpereigene Oxidantien: Biosensor analysiert Stoffwechselbedingungen

Der Oxidationszustand der Zellen im Körper ist für uns von großer Bedeutung: Ist nämlich das normale Gleichgewicht der Verteilung körpereigener Oxidantien gestört oder greifen diese sogar zelluläre Strukturen an, kann die Zelle ihre Funktion nicht oder nur unvollständig ausüben und Krankheiten entstehen. Den Oxidationszustand zu kennen und eines Tages vielleicht auch einmal pharmakologisch beeinflussen zu können, ist deshalb also vor allem bei krankheitsrelevanten Veränderungen außerordentlich wichtig. Bislang gab es aber keine geeignete Methode, um die oxidativen Vorgänge im gesamten Organismus erforschen zu können. Nun hat PD Dr. Tobias Dick mit seinem Forscherteam im DKFZ in Heidelberg einen Biosensor entwickelt, mit dem kleinste oxidative Schwankungen im Stoffwechsel in Echtzeit erfasst werden können und so ganz neue Einblicke in den Körper ermöglicht werden.

Der Oxidationszustand der Moleküle in unserem Körper ist von vielen Faktoren abhängig. Beispielsweise beeinflussen Ernährung, körperliche Aktivität oder Erkrankungen, aber möglicherweise auch das Altern die Verteilung körpereigener Oxidantien in den Zellen und Geweben. Dabei wurde lange Zeit die Meinung vertreten, dass Oxidantien – oft fälschlicherweise pauschal als „freie Radikale“ bezeichnet – generell ungesund seien, weil sie Zellschäden verursachen und damit den Alterungsprozess beschleunigen; Antioxidantien dagegen galten als gesundheitsfördernd, weil sie als Radikalfänger Zellen vor oxidativem Stress schützen. Doch schon vor einiger Zeit stellten Wissenschaftler fest, dass das so nicht stimmt: Körpereigene Oxidantien wirken als essenzielle Botenstoffe und sind deshalb für eine intakte Funktion des Organismus unerlässlich. Besondere Bedeutung hat in diesem Zusammenhang das Wasserstoffperoxid-Molekül.

Körpereigene Oxidantien entstehen im Laufe normaler Stoffwechselprozesse wie der Zellatmung durch Reduktion von molekularem Sauerstoff, werden aber unter physiologischen Bedingungen gezielt produziert, verteilt und durch zelleigene Enzymsysteme in ihrer Menge kontrolliert. Eine kontrollierte räumliche und zeitliche Verteilung in der jeweiligen Zelle ist von großer Bedeutung. Denn sonst entstehen tatsächlich reaktive Radikale, die nicht mehr rechtzeitig zu unschädlichem Sauerstoff und Wasser entgiftet werden können und Zellstrukturen angreifen.

Glossar

  • Biosensoren sind biologische Detektionssysteme zum Aufspüren kleinster Substanzmengen.
  • Enzyme sind Katalysatoren in der lebenden Zelle. Sie ermöglichen den Ablauf der chemischen Reaktionen des Stoffwechsels bei Körpertemperatur.
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Der genetische Code legt die Zuordnung der 64 Codons der DNA bzw. der mRNA zu den 20 Aminosäuren und 3 Stopcodons fest.
  • Das Genom ist die gesamte Erbsubstanz eines Organismus. Jede Zelle eines Organismus verfügt in Ihrem Zellkern über die komplette Erbinformation.
  • Ein Hormon ist eine biochemisch aktive Substanz, die als Botenstoff von ihrem Entstehungsort zu ihrem Zielort transportiert wird (häufig über das Blut) und dort eine Reaktion in der Zelle auslöst. Insulin wird z.B. in der Bauchspeicheldrüse produziert, gelangt über das Blut zum Muskel und sorgt dort für eine Senkung des Blutzuckerspiegels.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • Proteine (oder auch Eiweiße) sind hochmolekulare Verbindung aus Aminosäuren. Sie übernehmen vielfältige Funktionen in der Zelle und stellen mehr als 50 % der organischen Masse.
  • Eine Sonde im molecularbiologischen Sinn ist ein Stück markierte RNA oder DNA, die mit einer gesuchten Sequenz binden (hybridisieren) kann.
  • Mit Transkription im biologischen Sinn ist der Vorgang der Umschreibung von DNA in RNA gemeint. Dabei wird mithilfe eines Enzyms, der RNA-Polymerase, ein einzelsträngiges RNA-Molekül nach der Vorlage der doppelsträngigen DNA synthetisiert.
  • Ein Transkriptionsfaktor ist ein Protein, dass die Herstellung einer RNA-Kopie eines Gens (Transkription) steuert. Transkriptionsfaktoren binden an bestimmte Sequenzen auf der DNA und interagieren mit der RNA-Polymerase, die dadurch ihre Transkriptionsaktivität verändert.
  • Ein Tumor ist eine Gewebsschwellung durch abnormales Zellwachstum, die gutartig oder bösartig sein kann. Gutartige (benigne) Tumore sind örtlich begrenzt, während Zellen bösartiger (maligner) Tumore abgesiedelt werden können und in andere Gewebe eindringen können, wo sie Tochtergeschwulste (Metastasen) verursachen.
  • Die Expression ist die Biosynthese eines Genprodukts (= Umsetzung der genetischen Information in Proteine). Sie erfolgt in der Regel als Transkription von DNA zu mRNA und anschließender Translation von mRNA zu Protein.
  • Die Zytologie oder auch Zellbiologie ist eine Disziplin der Biowissenschaften, in der mit Hilfe mikroskopischer und molekularbiologischer Methoden die Zelle erforscht wird, um biologische Vorgänge auf zellulärer Ebene zu verstehen und aufzuklären.
  • Die Pharmakologie ist eine Wissenschaft, die sich mit der Wechselwirkung zwischen Arzneimitteln und Organismen befasst. Dabei gibt es zwei Verfahren zur Beurteilung: Die Pharmakokinetik beschreibt die Aufnahme, Verteilung, Verstoffwechselung und Ausscheidung des Wirkstoffs, die Pharmakodynamik beschreibt die Wirkung des Arzneimittels im Organismus.
  • Physiologie ist die Lehre von den biochemischen und physikalischen Vorgängen in Zellen, Geweben und Organen der Lebewesen.
  • Mit Imaging ist meist eine Methode zur Bildgenerierung und -erfassung gemeint.
  • Als Fluoreszenz wird die spontane Emission von Licht bestimmter Wellenlänge nach Anregung eines Moleküls mit Licht einer anderen Wellenlänge bezeichnet.
  • Ein Mitochondrium ist ein von einer Doppelmembran umschlossenes Organell, das im Zellinneren der Eukaryonten vorkommt. Als "Kraftwerk der Zelle" dient es der Energiegewinnung, weshalb Zellen mit hohem Energiebedarf (z. B. Muskel- oder Nervenzellen) viele Mitochondrien enthalten.
  • Antioxidantien sind Substanzen, die Oxidationsreaktionen empfindlicher Moleküle verhindern. Sie wirken als Radikalfänger und unterbinden toxische Reaktionen im Körper. Sie werden in Lebensmitteln, Kunststoffen und Arzneimitteln eingesetzt, um zum Beispiel im Falle der Kunststoffe oxidative Schäden durch die Einwirkung von Sauerstoffmolekülen zu verhindern. Sie kommen auch natürlich in Lebensmitteln und im Körper vor. bei der Therapie von Krebs wird unter Umständen von der Einnahme abgeraten, da die Entstehung von Radikalen, die den Krebs bekämpfen sollen, Teil der Therapie ist. Beispiele: Vitamin C, Glutathion
  • Die Kryokonservierung ist ein Verfahren zur Aufbewahrung und Haltbarmachung von Zellen und Geweben durch Einfrieren in flüssigem Stickstoff bei -196°C. Dadurch kann die Vitalität der Zellen fast unbegrenzt erhalten werden und diese können nach dem Auftauen ihre normalen Stoffwechselvorgänge wieder aufnehmen. Dieses Verfahren findet Anwendung beispielsweise bei der Konservierung von Spermien, Eizellen und Embryonen.

Oxidantien – wichtige Botenstoffe des Körpers

Die Arbeitsgruppe von PD Dr. Tobias Dick (3. v. links) erforscht im Deutschen Krebsforschungszentrum Heidelberg die Funktion und Verteilung körpereigener Oxidantien im Organismus. © DKFZ

Dick beschäftigt sich gemeinsam mit seinem Wissenschaftlerteam im DKFZ schon seit einiger Zeit mit körpereigenen Oxidantien. „Der Fokus unserer Arbeitsgruppe liegt auf der Analyse von Wasserstoffperoxid, das in Zellen gezielt und kontrolliert als Signal produziert wird“, berichtet Dick. „Früher dachte man, das sei ein reines Abfallprodukt des Stoffwechsels. Und bis heute ist das noch in weiten Teilen der Öffentlichkeit so verankert, dass Oxidantien schädlich sind und oxidativen Stress verursachen. Dabei übernehmen die Substanzen wichtige Signalfunktionen im Körper. Sie sind für die normalen Abläufe in der Zelle unerlässlich. Egal, ob bei Reaktionen auf Hormone oder Immunreaktionen – Wasserstoffperoxid ist immer im Spiel und maßgeblich an der Enzymregulation beteiligt. Dies ist ein evolutionär sehr alter und elementarer Mechanismus, der bei allen Lebewesen in unterschiedlicher Ausprägung zu finden ist.“

Eine besondere Rolle spielen die Oxidantien bei der Anpassung der Zellen an Belastungssituationen. Beispielsweise setzt eine körperliche Beanspruchung Mechanismen frei, die die Zellen schützen und an die neue Situation anpassen sollen: „Hier steht Wasserstoffperoxid im Verdacht, der Vermittler zu sein“, so der Zellbiologe. „Wenn die Mitochondrien überbeansprucht werden, setzen sie gezielt Wasserstoffperoxid frei. Und das dient dem Rest der Zelle als Signal, dass jetzt eine Anpassung stattfinden muss, zum Beispiel mehr Mitochondrien gebildet werden müssen. Dabei reagieren eine Reihe von Transkriptionsfaktoren und Enzyme auf die Moleküle, die dann ihrerseits das Signal in den Zellkern weiterleiten: Hier muss eine Anpassung an neue Bedingungen stattfinden.“

Leuchtender Biosensor ermöglicht Einblicke in den Organismus

Oxidantienbildung im Gewebe, visualisiert mit Biosensoren auf einem Gewebeschnitt. © DKFZ

Wann und wo die Signalübermittlung durch Oxidantien im Kontext des gesamten Organismus abläuft, ist bislang noch sehr wenig verstanden. Um organismische Vorgänge erforschen zu können, entwickelten die Heidelberger Forscher zuletzt ein Verfahren, mit dem sie Veränderungen des Wasserstoffperoxids in Gewebeschnitten visualisieren können. Dabei können die Biologen mit Hilfe eines genetisch kodierten Biosensors die Anwesenheit und Verteilung der Oxidantien in den Schnitten einfach mikroskopisch ablesen. Bei dem Biosensor handelt es sich um ein Protein, das nach entsprechender Anregung Fluoreszenzsignale entwickelt. Die Erbinformation für den Sensor wird ins Genom der zu untersuchenden Mäuse integriert, die das Protein dann in allen ihren Zellen exprimieren. Bei dieser Methode wird das entnommene Gewebe nach der Entnahme blitzschnell in flüssigem Stickstoff kryokonserviert, um den in vivo Redoxzustand des Biosensors zu erhalten. Die Wissenschaftler stellten jedoch fest, dass dieser natürliche Zustand sich änderte, sobald die Proben wieder aufgetaut werden. Deshalb entwickelten sie ein chemisches Konservierungsverfahren, bei dem alkylierende Agenzien beim Schneiden über das Gewebe geflutet werden, sodass der Biosensor sehr schnell und effektiv in seinem ursprünglichen Zustand blockiert wird. „Egal, was man danach mit dem Gewebeschnitt macht: Der ursprüngliche Redoxzustand des Biosensors bleibt erhalten“, erklärt der Biologe.

Oxidantien im ganzen Körper analysieren

Mithilfe des Biosensors haben die DKFZ-Forscher schon Oxidantien in den verschiedensten Gewebearten untersucht, zum Beispiel in einem wachsenden Tumor oder einem Muskel unter Hungerbedingungen. „Hier hatte man schon Wasserstoffperoxid-Signale vermutet“, sagt der Wissenschaftler. „Und mit dem Biosensor haben wir sie tatsächlich sehen können.“ Diese positiven Ergebnisse sieht der Biologe als einen ersten Schritt, um den Einfluss von Krankheiten und Wirkstoffen auf die Verteilung der Oxidantien im ganzen Körper analysieren zu können. Und um fehlgeleitete Oxidationsbedingungen eines Tages einmal pharmakologisch beeinflussen zu können. „Pro- oder antioxidative Agenzien stehen uns schon lange zur Verfügung“, so Dick. „Aber diese im lebenden Organismus zu untersuchen – etwa zu klären, wo sie hingelangen und wie sie wirken – war bisher immer ein Problem. Mit dem Biosensor erhalten wir jetzt Einblicke in diese Vorgänge.“

Bislang werden die Untersuchungen vornehmlich an Gewebeschnitten durchgeführt. In einer Kollaboration mit der Universität München wurde zwar das sogenannte „In-vivo-Imaging“ am lebenden Organismus bereits praktiziert. Hier blickten die Forscher zur Erforschung der Zustände bei Multipler Sklerose in Echtzeit ins Rückenmark. Diese Art der Anwendung ist aber gegenwärtig noch sehr limitiert, weil in tiefer liegendem Gewebe die Lichtsignale des Biosensors kaum mehr wahrnehmbar sind. „Aber diese Techniken entwickeln sich gegenwärtig auch weiter und werden uns in Zukunft sicher auch noch mehr Untersuchungsmöglichkeiten am lebenden Organismus bieten“, meint Dick. Organe, die entnommen und in Kultur weitergezüchtet werden, können hingegen verfälschte Ergebnisse liefern, sobald sie aus dem natürlichen Kontext isoliert werden. „Deshalb ist das Verfahren zur Konservierung der Biosensor-Redoxzustände im Gewebeschnitt für uns so wichtig“, sagt Dick. „Hier können wir den Zustand des Biosensors dauerhaft genau im Zustand der Entnahme konservieren. Aber der Nachteil dabei ist natürlich, dass das nur einen Schnappschuss zu einem ganz bestimmten Zeitpunkt darstellt.“

Peroxiredoxine: Empfindlichste, körpereigene Biosensoren

In einer zweiten Studie verfolgten die Heidelberger Wissenschaftler dann das Ziel, den Biosensor noch empfindlicher zu machen. „Hierfür haben wir kein gänzlich neues Prinzip entwickelt, sondern wir hatten die Idee, ein körpereigenes Detektionssystem – die Peroxiredoxine – zu nutzen“, so Dick. Bei den Peroxiredoxinen handelt es sich um Proteine mit der höchsten bekannten Empfindlichkeit gegenüber Wasserstoffperoxid. Die neuen Biosensoren koppeln die Reaktion eines Peroxiredoxins an ein Fluoreszenzsignal und sind so empfindlich, dass sie auch kleinste stoffwechselbedingte Schwankungen in der Oxidantienproduktion sichtbar machen können. Zunächst wurden die neuen Sensoren in Hefezellen getestet, wo die Forscher sogar die Bewegung von Oxidantien zwischen einzelnen subzellulären Strukturen mitverfolgen konnten(Morgan et al.). In einem nächsten Schritt sollen die Peroxiredoxin-basierten Sensoren nun auch im Mausmodell erprobt werden. Das längerfristige Ziel der Forscher aber ist es, mit Hilfe der Biosensoren nach neuen Wirkstoffen zu suchen, die die oxidativen Signale verstärken oder unterdrücken, das heißt, die den Oxidationszustand der Zelle gezielt verändern. „Das müssen wir aber natürlich erst im Tiermodell etablieren, bevor wir dies in der Humanmedizin anwenden können“, sagt der Zellbiologe.

Literatur

Fujikawa Y, Roma LP, Sobotta MC, Rose AJ, Diaz MB, Locatelli G, Breckwoldt MO, Misgeld T, Kerschensteiner M, Herzig S, Muller-Decker K and Dick TP (2016) Mouse redox histology using genetically encoded probes. Science Signaling 2016, DOI: 10.1126/scisignal.aad3895

Morgan B, Van Laer K, Owusu T, Ezerina D, Pastor-Flores D, Amphonsah P, Tursch A and Dick TP (2016) Real-time monitoring of basal H2O2 levels with peroxiredoxin-based probes. Nature Chemical Biology 2016, DOI: 10.1038/NCHEMBIO.2067

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/de/fachbeitrag/aktuell/koerpereigene-oxidantien-biosensor-analysiert-stoffwechselbedingungen/