ArchivDeutsches Ärzteblatt3/2008Medizintechnik: Welche Proteine wohin wandern

MEDIZINREPORT

Medizintechnik: Welche Proteine wohin wandern

Dtsch Arztebl 2008; 105(3): A-81 / B-70 / C-70

Schwamborn, Kristina; Krieg, Rene; Wellmann, Axel

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LNSLNS Eine Variante der Massenspektrometrie macht Moleküle direkt im Gewebe sichtbar – neue Möglichkeiten für die Zelltypisierung und Erforschung von Pharmaka.
Nach der kurzen „Genomeuphorie“ zur Jahrtausendwende, wird die unmittelbare Bedeutung von Genomdaten für die Entwicklung von pharmazeutischen Wirkstoffen nun eher zurückhaltend eingeschätzt. Stattdessen rücken Proteine als aktive Zielmoleküle des Lebens mehr in den Mittelpunkt der biomedizinischen Forschung, da Eiweißmoleküle spezifischer und dynamischer als Gene den Zustand einer Zelle widerspiegeln.
So erhofft man sich, durch direkte Analytik der Proteine als aktive Moleküle einen unmittelbaren Zugang zu bekommen zu den molekularen Ursachen von Krankheiten inklusive neuer Ansätze für eine medikamentöse, zielorientierte Therapie.
Bisher kostet die Einführung von neuen Wirkstoffen auf den Markt
etwa 800 Millionen US-Dollar für die Entwicklung und dauert circa acht Jahre oder mehr (1). Ein großer Teil der Zeit und des Geldes wird für die Suche nach Zielmolekülen ausgegeben, die von vielen daher auch als „Suche im Heuhaufen“ bezeichnet wird. Histologische Präparate sind komplex und im Allgemeinen sehr heterogen in der Zellzusammensetzung. Sollen spezifische Biomarker im Gewebe identifiziert werden, erweist sich diese Heterogenität oft als große Hürde. Krankheitsspezifische Markerprofile einzelner Zellen oder umschriebener Gewebskompartimente können dadurch nur ungleich schwerer erstellt werden.
Von größtem Interesse in diesem Zusammenhang ist die Entwicklung eines schnellen Detektionssystems, das einerseits die gleichzeitige Identifikation von potenziellen Zielmolekülen zulässt, anderseits aber auch die Möglichkeit bietet, den Weg der pharmazeutisch wirksamen Moleküle direkt im Gewebe mit hoher räumlicher Trennschärfe zu verfolgen.
Einen Teil dieser sehr hohen Anforderungen scheint eine recht neue Technologie, die sogenannte MALDI-Imaging-Massenspektrometrie (IMS) zu erfüllen. Die Grundlage dieser Technik ist die MALDI-TOF-MS (matrix assisted laser desorption ionization time of flight mass spectrometry). Die Technologie beruht auf der weichen Ionisierung größerer Moleküle, zum Beispiel Peptiden oder Proteinen. Das zu untersuchende Material wird auf einen metallischen Probenträger aufgetragen und anschließend in eine Matrix eingebettet, die kristallisiert. Die Matrix hat mehrere Funktionen: Sie ermöglicht einerseits die Übertragung von Protonen auf die zu untersuchenden Moleküle, und andererseits absorbiert sie die Energie des Lasers, mit dem die Probe beschossen wird. Die Laserenergie verdampft die Matrix. Die ionisierten Proteine und Peptide fliegen im elektrischen Feld durch das Hochvakuum der Messeinheit.
Mit dem Auftreffen der Proteine auf den Detektor wird deren Flugzeit bestimmt („Time-of-flight“-Analyse). Je größer das Molekül, desto länger seine Flugzeit. Die Größe der Moleküle kann grafisch in Form eines Massenspektrums des untersuchten Materials dargestellt werden. 1
Die Innovation der Imaging-Technologie gegenüber der herkömmlichen MALDI-TOF-MS besteht darin, dass nun ganze Gewebsverbände und nicht nur Zelllysate auf den Probenträger aufgetragen werden. Dieser besteht hier aus einem elektrisch leitfähig beschichtetem Glasobjektträger. Anschließend wird das intakte Gewebe mit Matrix beschichtet und kann im Massenspektrometer analysiert werden. Hierzu wird ein Raster von Analysepunkten über die Probe gelegt und an jedem dieser Punkte ein Massenspektrum erzeugt.

Gewebe nach MALDI intakt
So können kleinste Gewebsproben wie Biopsien und Feinnadelaspirate (2, 4), aber auch Ganzkörperschnitte kleiner Labortiere untersucht werden. Verschiedene Zelltypen lassen sich gleichzeitig in situ untersuchen. Dadurch können Informationen der Proteinzusammensetzung oder gewebstypische Pharmakonverteilung direkt ortsspezifisch abgebildet und mit der konventionellen Histologie sogar an demselben Schnittpräparat in H-&-E-Färbung verglichen werden (2) (siehe Abbildung).
Nach dem MALDI-Imaging kann die Matrix von diesem Präparat entfernt und eine Routine-Hämatoxylin-Eosin-Färbung durchgeführt werden. Das mikroskopische Bild des gefärbten Schnittes kann dann mit dem Bild des MALDI-Imaging überlagert werden. Dies erlaubt eine eindeutige und unmittelbare Korrelation von histologischen und molekularen Daten.
Mit komplexer Datenverarbeitung können die an jedem Messpunkt erzeugten Peptid- und Protein-Spektren verarbeitet werden. Dies ermöglicht eine farbcodierte Darstellung der Spektren, die auf die analysierten Gewebe projiziert werden können. So lassen sich gewebstypische Abschnitte erkennen, aber auch pathologische Zellen von gesunden differenzieren. Eine solche Studie wurde am Institut für Pathologie der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen mit einem MALDI-TOF-MS (Bruker Daltonik, Bremen) durchgeführt, bei der es beispielhaft gelang, an Prostatapräparaten Areale mit Karzinom von nicht malignen Drüsenabschnitten im Parenchym zu differenzieren.
Zeitaufwendige und das Untersuchungsmaterial modifizierende Isolierungstechniken, wie die komplexe Mikrodissektion als ein Verfahren, gleichartige Zellpopulationen zu gewinnen, könnten durch diese Technologie überflüssig werden. Auch lassen sich, anders als beispielsweise bei immunhistochemischen Verfahren, neue Proteine und Peptide aufspüren. Im Gegensatz zur Immunhistochemie eignet sich das MALDI-Gewebe-Imaging weniger für die Routine als eher für wissenschaftliche oder besondere differenzialdiagnostische Fragestellungen.
Prof. Dr. Richard Caprioli (Vanderbilt-Universität in Nashville Tennessee, USA), Pionier des MALDI-Imagings, sieht weitere Anwendungsmöglichkeiten der Technik bei der Erforschung und Entwicklung von Pharmaka inklusive deren Abbauprodukten in histologischen Präparaten. Seiner Meinung nach „wird MALDI-Imaging Ärzten und Wissenschaftlern auch ein sehr komplexes molekulares Bild von Proteinen in Biopsiematerial von Patienten verschiedenster Erkrankungen liefern und Prognose und Therapie weiter verfeinern“.
Dr. med. Kristina Schwamborn
Dr. rer. nat. Rene Krieg,
Institut für Pathologie der RWTH Aachen
Prof. Dr. med. Axel Wellmann


Anschrift für die Verfasser
Prof. Dr. med. Axel Wellmann
Pathologisches Institut Celle am Allgemeinen Krankenhaus
Siemensplatz 4, 29223 Celle
E-Mail: axel_wellmann@yahoo.com
Internet: www.pathologen.net

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