Technische Universität Wien
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2015-10-20 [

Florian Aigner

 | Büro für Öffentlichkeitsarbeit ]

Neue bildgebende Verfahren für die Biotechnologie

Kann man eine chemische Zusammensetzung fotografieren? In gewissem Sinn schon – mit ortsauflösender Massenspektrometrie.

Prof. Martina Marchetti-Deschmann

Aufnahme eines Mäusegehirns

Das Bild einer Fotokamera zeigt bloß Farben. Auf einer Elektronenmikroskop-Aufnahme kann man bloß hell und dunkel unterscheiden. Wenn Prof. Martina Marchetti-Deschmann Abbildungen von ihren Proben erstellt, bekommt man eine viel größere Menge an Information. Mit modernen Methoden der Massenspektrometrie kann man Untersuchungsobjekte mit Mikrometer-Auflösung abrastern und an jedem Punkt die chemische Zusammensetzung bestimmen.

Besonders lohnend aber auch herausfordernd ist das im Bereich der Bioanalytik, wo man es mit ganz unterschiedlichen chemischen Anteilen zu tun hat. Martina Marchetti-Deschmann arbeitet am Institut für Chemische Technologien und Analytik daran, solche Methoden weiter zu verbessern und standardisierte Verfahren zu entwickeln, um die Ergebnisse unterschiedlicher Labors vergleichbar zu machen.

Massenspektrometrie als bildgebendes Verfahren
Der Weg vom Probenmaterial zum fertigen Bild, das eine Landkarte der (bio-)chemischen Zusammensetzung darstellt, ist kompliziert. Zunächst wird die Probe passend vorbereitet, dann wird die Oberfläche punktweise mit einem Laser bestrahlt, der gezielt Moleküle herauslöst. Diese Moleküle werden daraufhin desorbiert, ionisiert und massenspektrometrisch analysiert – also nach ihrem Verhältnis aus elektrischer Ladung und Masse sortiert. Daraus kann man das Molekulargewicht ablesen und bei gezielter Fragmentierung die chemische Substanzen identifizieren.

Massenspektrometrie gibt es schon lange. Dass man allerdings eine Probe Punkt für Punkt abrastern und massenspektrometrisch auf biologisch relevante Moleküle untersuchen kann, ist relativ neu. „Gerade in den letzten Jahren erlebt die ortsaufgelöste Massenspektrometrie einen ungeheuren Boom im Bereich Medizin, Biologie und Biomedical Engineering“, sagt Martina Marchetti-Deschmann. Die Zahl der Publikationen in diesem Bereich stieg in den letzten drei Jahren drastisch an.

Die TU Wien ist in diesem aufstrebenden Gebiet mit großem Erfolg vorne mit dabei. So konnte man beispielsweise die Materialabnützung in Kunststoff-Hüftgelenken untersuchen. „Es zeigt sich, dass genau dort, wo das Material versagt, besonders viele Biomoleküle angelagert sind“, erklärt Marchetti-Deschmann. Daraus kann man nun Modelle für die Abnützungsmechanismen entwickeln, Marterialversagen verstehen, Materialien weiterentwickeln und letztendlich Hüftgelenke haltbarer machen. Auch künstliche Blutgefäße und ihren biologischen Abbau unter gleichzeitigem Aufbau körpereignem Gewebes konnte man massenspektrometrisch untersuchen.

Viele Fragen gleichzeitig beantworten
Bei biomedizinischen Untersuchungen verwendete man bisher meist Antikörper, um bestimmte Biomoleküle nachzuweisen. Die Antikörper docken gezielt am gesuchten Molekül an und können dann ihrerseits detektiert werden. So wird heute tumorbelastetes Gewebe identifiziert. Doch bei dieser Methode kann man nur genau das finden, wonach man gesucht hat. Für alle anderen Moleküle, an die der Antikörper nicht andockt, ist diese Methode blind. „Unsere Methode sammelt ein viel größeres Spektrum an Daten. Wenn nach der Messung noch weitere Fragen auftauchen, kann man sie daher oft anhand der bereits aufgenommenen Daten beantworten“, sagt Marchetti-Deschmann.

Martina Marchetti-Deschmann und ihr Team sind Teil eines europaweiten Forschungsnetzwerks, in dem Standards und Normen für die neuen Messverfahren entwickelt werden. Nur dadurch wird es möglich, Daten aus unterschiedlichen Labors überhaupt miteinander zu vergleichen. Dabei geht es um die Standardisierung der Probenvorbereitung genauso wie um Regeln für den Probentransport und eine Normierung des Messprozesses selbst. „Man braucht viel Wissen und Erfahrung, um abschätzen zu können, welche Methoden am sinnvollsten sind“, sagt Marchetti-Deschmann. „Dieses Wissen haben wir mittlerweile, und es gibt große Fortschritte auf dem Weg zu einer Standardisierung des Verfahrens.“ Bis zum kommerziell erhältlichen Gerät, das man in Krankenhäusern dann für histologische Befunde verwenden kann, ist der Weg noch steinig. In einigen Jahren könnte es bei passender technologischer Entwicklung jedoch so weit sein, hofft Marchetti-Deschmann.

Multimodale Bildgebung

Wichtig ist dabei oft auch, verschiedene bildgebende Verfahren auf kluge Weise zu kombinieren. So kann man etwa mit Rastertunnelmikroskopen wichtige Information über die Struktur einer Probe erhalten, und die dann mit den chemischen Analysedaten der Massenspektrometrie zusammenführen. An der TU Wien steht eine ganze Palette an Methoden zur Verfügung.

An der TU Wien läuft derzeit ein Doktoratskolleg (MEIBio- Molecular and Elemental Imaging in Bioscience), in dem zehn junge Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an bildgebenden Verfahren forschen. Wie interdisziplinär dieses Gebiet ist zeigt sich allein schon dadurch, dass mehrere Fakultäten der TU Wien an dem Doktoratskolleg beteiligt sind: Die Fakultät für Technische Chemie, die Fakultät für Physik, die Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik und die Fakultät für Informatik.

Weitere Informationen finden Sie unter http://mei-bio.tuwien.ac.at/
Originalpublikationen:
Analyst, “Mass spectrometric imaging of in vivo protein and lipid adsorption on biodegradable vascular replacement systems”
Analytical Chemistry, “MALDI-TOF Mass Spectrometry Imaging Reveals Molecular Level Changes in Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene Joint Implants in Correlation with Lipid Adsorption”

Rückfragen:
Prof. Martina Marchetti-Deschmann
Institut für Chemische Technologien und Analytik
Technische Universität Wien
Getreidemarkt 9, 1060 Wien
T: +43-1-58801-15162
martina.marchetti-deschmann@tuwien.ac.at