Hochmodernes Gerät bringt Stoffwechselforschung voran

Das Gerät zur Kernspinresonanz-Analyse ist Teil der Metabolomics-Plattform des Instituts für Klinische Chemie und Laboratoriumsmedizin (IKL) der Hochschulmedizin Dresden. Dort bietet es im Zusammenspiel mit weiteren metabolomischen Analyseverfahren beste Voraussetzungen, um die Rolle des Stoffwechsels bei verschiedenen Erkrankungen – vor allem Krebserkrankungen – und Therapien weiter zu erforschen. Das Gerät sichert zudem die Qualität der Proben, die in der BioBank Dresden für klinische Forschungsprojekte eingelagert werden.

 Stoffwechselprodukte, so genannte Metaboliten, sind Substanzen, die als Zwischenstufen oder als Abbauprodukte von Stoffwechselvorgängen des Organismus entstehen. Mehr als 5.000 solcher kleinen Moleküle – darunter Zucker, Aminosäuren, Fette – sind heute identifiziert. Die Messung von Metaboliten gestattet weitreichende Aufschlüsse über Reaktionen des Organismus auf Krankheiten und Therapien ebenso wie auf Ernährung und Umwelteinflüsse. Für die Untersuchung von Stoffwechselvorgängen bei Fragestellungen der Grundlagen- und klinischen Forschung, stehen Wissenschaftlern am Nationalen Centrum für Tumorerkrankungen Dresden (NCT/UCC) und der Hochschulmedizin Dresden besonders umfangreiche analytische Möglichkeiten zur Verfügung. Hierzu zählt ab sofort auch ein hochmodernes NMR-Gerät, das die Stoffwechselforschung an Patientenproben sowie an Proben aus experimentellen Modellen ermöglicht.  

Vollautomatische Messung in 20 Minuten

Mithilfe des gut 1 Million Euro teuren NMR-Geräts, das aus Mitteln des Deutschen Krebsforschungszentrums (DKFZ) für den NCT-Standort Dresden finanziert wurde, lassen sich in Flüssigproben wie Urin oder Blut (Serum, Plasma) in einer zwanzigminütigen vollautomatischen Messung zahlreiche gängige Metaboliten in ihrer jeweiligen Konzentration nachweisen – bei Urinproben sind es bis zu 150 Metaboliten. Auch die Untersuchung von Gewebe, Zellkulturen und Organoiden ist möglich. Wissenschaftler erhalten so einen charakteristischen Überblick über die in einer Probe enthaltenen Stoffwechselprodukte, eine Art metabolischen Fingerabdruck. „Mithilfe dieses Fingerabdrucks und weiterer metabolomischer Analysen können Wissenschaftler künftig beispielsweise untersuchen, wie der Stoffwechsel von Krebspatienten auf eine Chemotherapie reagiert. Dieses Wissen könnte perspektivisch dazu beitragen, Nebenwirkungen zu minimieren“, erklärt Prof. Triantafyllos Chavakis, Direktor des Instituts für Klinische Chemie und Laboratoriumsmedizin (IKL) des Uniklinikums Dresden, an dem die Metabolomics-Plattform angesiedelt ist, und Co-Direktor der BioBank Dresden. Der metabolische Fingerabdruck könnte darüber hinaus dazu dienen, neue charakteristische biologische Merkmale, so genannte Biomarker, zu ermitteln, die Aufschluss über die Entstehung und den Verlauf bestimmter Krebserkrankungen und weiterer Erkrankungen liefern. Die metabolomische Analyse fungiert hier als wichtiges Werkzeug zur weiteren Erforschung der personalisierten Medizin, bei der es darum geht, Patienten in immer kleinere, individuellere Gruppen einteilen und sehr spezifisch behandeln zu können. Da NMR-Geräte unabhängig von ihrem Standort sehr zuverlässige Messresultate liefern, sind metabolische Profile von Proben weltweit vergleichbar und lassen sich standortübergreifend für Forschungsvorhaben nutzen.

Neben der Analyse von Proben für wissenschaftliche Fragestellungen kommt das NMR-Gerät künftig auch im Rahmen der Qualitätssicherung in der BioBank Dresden am NCT/UCC zum Einsatz – nur Proben, die den entsprechenden Qualitätskriterien genügen, sollen dann für die Arbeit der Wissenschaftler freigegeben werden. „Mithilfe der automatisierten Kernspinresonanz-Analyse lässt sich beispielsweise sehr zuverlässig feststellen, ob Proben verunreinigt sind oder die Lagerdauer bis zur Aufarbeitung zu lang war. Bis zu 90 Proben lassen sich pro Tag messen“, so Dr. Heidi Altmann, Koordinatorin des Flüssigmaterialteils der BioBank Dresden.  

Das NMR-Gerät ist Teil der Metabolomics-Plattform, die allen Wissenschaftlern der Hochschulmedizin Dresden und am NCT/UCC im Rahmen ihrer Forschungsprojekte zur Verfügung steht. Zur Plattform zählen auch Massenspektrometer, mit deren Hilfe sich die Masse der in einer Probe enthaltenen Moleküle so genau bestimmten lässt, dass auf die Identität und Menge der Metaboliten rückgeschlossen werden kann. Mit dieser Methodik lassen sich mehrere tausend Stoffwechselprodukte in einer Probe nachweisen oder einzelne Metaboliten eines bestimmten Stoffwechselwegs ganz gezielt und in niedrigsten Konzentrationen quantifizieren. Einen Einblick in die Dynamik von Stoffwechselprozessen liefert hingegen die so genannte metabolische Flussanalyse. Bei dieser hochinnovativen Methode geben Wissenschaftler zu einer Zellkultur-Probe einen markierten Ausgangsstoff hinzu und verfolgen dessen Weg durch den Zellstoffwechsel. Auf diese Weise wird sichtbar, in welchem Tempo Stoffwechselreaktionen ablaufen, das heißt, sich ein Metabolit durch eine enzymatische Reaktion in ein anderes Stoffwechselprodukt umwandelt.  

Die Kerne von Wasserstoffatomen haben die Eigenschaft, sich um ihre eigene Achse drehen zu können. Durch diese Kernspin genannte Drehung erzeugen sie ein eigenes schwaches Magnetfeld. Dies sowie die Tatsache, dass Wasserstoff das vorherrschende Element im menschlichen Körper ist, macht sich die NMR-Methode zu nutze. Im Inneren des NMR-Geräts befindet sich ein Magnet. Er erzeugt ein Magnetfeld, das viele Tausend Mal stärker ist als das der Erde. Dieses Magnetfeld richtet die Wasserstoffatome wie Kompassnadeln parallel zueinander aus – statt dass sie weiterhin ungeordnet in alle möglichen Richtungen zeigen. Diese Ordnung wird dann durch Radiowellen kurzzeitig absichtlich gestört. Bei der anschließenden Neuausrichtung der Atomkerne im Magnetfeld geben diese die zuvor aufgenommene Energie in Form von Radiowellen wieder ab. Diese Signale registriert das NMR-Gerät. Wie schnell die Wasserstoffatome sich neu ausrichten und wann sie welche Energie abgeben, ist bei verschiedenen Molekülen und Geweben unterschiedlich. „Anhand der Signalverläufe kann das NMR-Gerät unterschiedliche kleine Moleküle, Metaboliten, in ihrer jeweiligen Konzentration messen“, so Dr. Alexander Funk, der das NMR-Gerät wissenschaftlich betreut und vor etwa einem Jahr aus den USA (University of Texas Southwestern Medical Center) nach Dresden wechselte.  Bei der Magnetresonanztomographie, die auf dem gleichen Prinzip beruht, werden die Messdaten zu Schnittbildern des menschlichen Körpers verrechnet.

Quelle: Nationales Centrum für Tumorerkrankungen Dresden (NCT/UCC)

26.08.2020

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