NanoPlex: Eine neue Art, Zellen zu sehen

Fluoreszenzmikroskopie ist ein weit verbreitetes Tool in der Zellbiologie. Es hilft Wissenschaftlern, bestimmte Teile von Zellen oder Geweben zu sehen, indem es spezielle Lichtfarben nutzt. Oft können Wissenschaftler mehrere Ziele gleichzeitig anschauen, indem sie verschiedene Farben verwenden. Das ist besonders nützlich, wenn man komplexe biologische Proben untersucht.

#Die Grundlagen der Fluoreszenzmikroskopie

Bei der Fluoreszenzmikroskopie verwenden Wissenschaftler spezielle Farbstoffe, die unter bestimmten Lichtbedingungen leuchten. Der gängigste Weg, verschiedene Farben zu sehen, ist die Verwendung von vier Kanälen: blau, grün, rot und tiefrot. Um mehrere Ziele in einer Probe zu betrachten, nutzen Wissenschaftler oft eine Methode, die man indirekte Immunfluoreszenz (IF) nennt. Diese Methode beruht auf zwei Arten von Antikörpern.

1. Primäre Antikörper (1.Abs): Diese binden an spezifische Ziele in der Probe.
2. Sekundäre Antikörper (2.Abs): Diese sind mit einem fluoreszierenden Farbstoff verbunden und binden an die primären Antikörper.

Um zum Beispiel drei verschiedene Ziele in einer Probe zu betrachten, brauchen Wissenschaftler drei primäre Antikörper von drei verschiedenen Arten. So können sie die sekundären Antikörper spezifisch an jeden primären Antikörper anhängen.

#Herausforderungen beim Multiplexing

Obwohl diese Methode hilfreich ist, hat sie ihre Grenzen. Manchmal müssen Wissenschaftler eine grössere Anzahl von Zielen gleichzeitig beobachten, besonders bei detaillierten Studien wie dem Blick auf Proteine in einzelnen Zellen.

In der Vergangenheit versuchten einige Wissenschaftler, sechs Ziele zu visualisieren, indem sie Antikörper mit chemischen Methoden entfernten. Das geschah durch Prozesse wie chemische Denaturierung oder Photobleichen, was es erlaubte, mehr als 10 Ziele zu visualisieren. Allerdings konnten diese Methoden die Struktur der Zellen schädigen.

Neuere Ansätze haben untersucht, spezielle Arten von DNA zu verwenden, um Signale zu kennzeichnen, was grossflächige Bildgebung ermöglicht. Diese Ansätze erlauben grössere Studien, können aber auch mit Herausforderungen einhergehen, wie reduzierter Präzision beim Lokalisieren von Molekülen. Daher brauchen Wissenschaftler neue Methoden, die die Integrität der Proben wahren und gleichzeitig die Bildgebung mehrerer Ziele ermöglichen.

#Fortschritte in der Superauflösungsmikroskopie

Superauflösungsmikroskopie ist eine neuere Technik, die bessere Details bietet. Sie ermöglicht es Wissenschaftlern, mehr Ziele gleichzeitig zu sehen als traditionelle Methoden. Eine der bekanntesten Techniken heisst Exchange-PAINT. Bei dieser Methode werden Antikörper oder andere Bindungswerkzeuge mit einzelsträngiger DNA (ssDNA) verknüpft. Jede ssDNA dient als einzigartiges Label, damit Wissenschaftler Ziele genau identifizieren können.

Neueste Entwicklungen haben es Forschern ermöglicht, bis zu 30 verschiedene Ziele in einer Probe mit einer fortschrittlicheren Technik namens SUM-PAINT zu visualisieren. Diese Techniken können jedoch kompliziert sein und erfordern spezielle Ausrüstung und Fachwissen.

#Neuer Ansatz: NanoPlex

Um den Prozess der Bildgebung mehrerer Ziele zu vereinfachen, wurde eine neue Methode namens NanoPlex entwickelt. Diese Methode nutzt konstruierte sekundäre Nanokörper (2.Nbs), die einfach an primäre Antikörper anheften können. Die Technologie kann sowohl mit normalen Lichtmikroskopen als auch mit fortschrittlichen Superauflösungstechniken wie dSTORM oder STED verwendet werden.

Der Schlüssel zu NanoPlex ist, dass es nicht auf aggressive Behandlungen angewiesen ist, die die Zellen schädigen könnten. Stattdessen verwendet es sanfte Methoden, um fluoreszierende Signale zu entfernen.

#Photolabile Moleküle: OptoPlex

Die erste Methode innerhalb von NanoPlex, OptoPlex genannt, nutzt ein spezielles lichtempfindliches Molekül. Wenn dieses Molekül mit einer bestimmten Wellenlänge beleuchtet wird, gibt es seine fluoreszierende Gruppe ab. Das erlaubt es Wissenschaftlern, Signale in interessanten Bereichen schnell und selektiv zu löschen, ohne die Probe zu schädigen.

Das ist besonders nützlich, da es detaillierte Studien ermöglicht, ohne die Zellstruktur stark zu beschädigen. Nach dem Löschen eines Signals können Wissenschaftler weitere Antikörper hinzufügen und den Bildgebungsprozess wiederholen.

#Enzymatische Spaltung: EnzyPlex

Die zweite Methode nennt sich EnzyPlex. Dieser Ansatz verwendet ein spezifisches Proteasenenzym, das einen Linker spaltet, der mit dem Fluorophor verbunden ist. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass sie durch den Einsatz dieses Enzyms fluoreszierende Signale aus den Nanokörpern effektiv entfernen können, ohne das Präparat stark zu schädigen.

In Tests erzielte EnzyPlex eine hohe Effizienz beim Entfernen von Signalen, sodass Zellen mehrfach in kurzen Zeiträumen abgebildet werden konnten. Diese Methode ist auch einfacher umzusetzen, da das Enzym unter vielen verschiedenen Bedingungen wirken kann.

#Redox-Chemie: ChemiPlex

Zuletzt gibt es die ChemiPlex-Methode, die die einfachste der drei ist. Sie nutzt eine chemische Reaktion, um eine Bindung zwischen dem Nanokörper und dem fluoreszierenden Tag zu brechen. Ein Reduktionsmittel wird angewendet, was zu einer schnellen und gleichmässigen Entfernung der Signale über verschiedene Ziele führt.

ChemiPlex hat sich als effizient und gleichmässig in seinen Signalentfernungskapazitäten erwiesen, was hochqualitative Bildgebung selbst nach mehreren Zyklen ermöglicht.

#Vielseitige Bildgebung mit NanoPlex

Mit seinen drei Ansätzen ermöglicht NanoPlex Wissenschaftlern, viele Ziele in einer einzigen Probe zu bildgeben, ohne auf aggressive Behandlungen angewiesen zu sein. Das macht es zu einer vielseitigen Methode, die in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden kann, von der Grundlagenforschung bis zur fortgeschrittenen medizinischen Forschung.

#Experimente mit Neuronen

Um die Fähigkeiten von NanoPlex zu demonstrieren, führten Wissenschaftler Experimente an primären hippocampalen Neuronen durch. Sie konnten 21 verschiedene Proteine abbilden, indem sie die ChemiPlex-Methode auf einfache Weise anwendeten. Dazu gehörte das Betrachten von Proteinen, die an Synapsen, Filamentstrukturen und anderen Zellteilen beteiligt sind.

Durch die Untersuchung dieser Neuronen konnten die Forscher das Verhalten von synaptischen Proteinen und die Interaktionen zwischen ihnen analysieren. Sie konnten sogar untersuchen, wie bestimmte Behandlungen die Lokalisierung und Interaktion dieser Proteine beeinflussten.

#Korrelation von Proteininteraktionen

In einem weiteren Experiment konzentrierten sich Wissenschaftler darauf, die Beziehungen zwischen neun synaptischen Proteinen zu verstehen. Durch die Untersuchung ihrer Ko-Lokalisierung in exzitatorischen und inhibitorischen Synapsen konnten sie bewerten, wie die Proteine miteinander interagierten.

Sie fanden heraus, dass bestimmte Proteine, wie Alpha-Synuclein und Synapsin-1, starke Korrelationen zeigten, was auf ihre Rollen in synaptischen Funktionen hinweist. Nach Tests mit 1,6-Hexandiol, das bekannte spezifische Interaktionen stört, beobachteten sie Veränderungen in der Korrelation dieser Proteine. Dies deutete auf ein tieferes Verständnis darüber hin, wie synaptische Proteine innerhalb der Zellen funktionieren und interagieren.

#Fazit

Zusammenfassend bietet NanoPlex eine wertvolle Lösung für Wissenschaftler, die mehrere Ziele in Zellen visualisieren möchten. Die sanften Methoden zur Signalentfernung führen zu verbesserter Bildqualität mit minimalen Schäden. Da der Bedarf an fortschrittlichen Bildgebungstechniken wächst, könnten Methoden wie NanoPlex den Weg für bahnbrechende Entdeckungen in der Zellbiologie ebnen.

Indem es die Multiplexbildgebung für viele Labore zugänglich macht, hat diese neue Strategie das Potenzial, unser Verständnis komplexer biologischer Systeme zu erweitern. Die Fähigkeit, zahlreiche Ziele gleichzeitig zu visualisieren, wird in verschiedenen Bereichen, von der Forschung bis zur klinischen Diagnostik, entscheidend sein.