Mit Quantum Dots den Ursachen von Krankheiten auf der Spur

Max-Planck-Wissenschaftler nutzen Nanotechnologie, um zelluläre Prozesse sichtbar zu machen, die für die Entwicklung neuer Medikamente wichtig sind

5. März 2004

Mit Hilfe von Halbleiter-Nanokristallen ist es Forschern des Göttinger Max-Planck-Instituts für biophysikalische Chemie gelungen, die Übermittlung von Steuersignalen für die Gene in einer Zelle im Film festzuhalten. Von diesem methodischen Durchbrucherwartet man, dass er der pharmazeutischen Industrie helfen wird, Medikamente gegen Krebs wesentlich schneller als bisher zu entwickeln. Die Experimente wurden in Zusammenarbeit mit zwei Forschergrupppen der Universidad de Buenos Aires, Argentinien, durchgeführt (Nature Biotechnology, Februar 2004). Quantum Dots (QDs) können als winzige Marker benutzt werden, um einzelne Gene, Nukleinsäuren, Proteine oder auch kleine Moleküle sichtbar zu machen und in Zellen zu verfolgen. Die auf diese Weise entstehenden Quantum Dot-Komplexe (Quantum conjugates) binden an ihr Zielmolekül und können - abhängig von ihrer Größe - in allen Farben und bis zu 1000fach heller leuchten als Fluoreszenzfarbstoffe.

In ihrer Studie, die in der Februar-Ausgabe der renommierten Zeitschrift "Nature Biotechnology" erschienen ist, berichten Diane Lidke und ihre Kollegen über ihre Anwendung so genannter Quantenpunkte (Quantum Dots). Das sind winzige, nur einen zehn Millionstel Millimeter große Halbleiterkristalle, die unter Einwirkung von Laserlicht in verschiedenen Farben aufleuchten können. Mit Hilfe dieser Kristalle ist es dem Forscherteam gelungen, zum ersten Mal die Signalübermittlung innerhalb der so genannten erbB-Rezeptorenfamilie, der Zielsubstanz vieler Krebsmedikamente, zu visualisieren. Dabei werden etwa der Prozess der Endozytose und die Übermittlung von epidermalen Wachstumsfaktoren in der Zelle sichtbar gemacht. Gleichzeitig ist es zum ersten Mal überhaupt gelungen, die von Wachstumsfaktoren abhängige Kommunikation einer Zelle mit ihrer Umgebung in bewegten Bildern festzuhalten.

"Unsere Untersuchungen am lebenden Objekt ergaben völlig neue Einsichten in zelluläre Prozesse und Interaktionen, die sich bisher nur an fixierten, also toten Zellen studieren ließen", schreibt das Forscherteam unter Leitung von Dr. Thomas Jovin, Direktor der Abteilung Molekulare Biologie am Göttinger Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie. "Ein Verständnis der Rezeptor-vermittelten Signalübertragungen in der Zelle ist essentiell für die Entwicklung von Therapien, die an den Rezeptoren ansetzen. Forschungsansätze, die auf der Kombination von Quantum Dots und Liganden beruhen, sind künftig für solche Forschungen unverzichtbar."

Lebende Zellen exprimieren die Rezeptoren für den epidermalen Wachstumsfaktor EGF als Fusionsprotein mit grünem fluoreszierendem Protein (GFP, grün). Quantum Dots (rot), die den Wachstumsfaktor EGF mit sich tragen, docken an diese Rezeptoren an, aktivieren sie und werden auf diese Weise in die Zelle eingeschleust. Die Probe wurde bei Zimmertemperatur mit einem konfokalen Mikroskop aufgenommen.

In ihrer Studie, die in der Februar-Ausgabe der renommierten Zeitschrift "Nature Biotechnology" erschienen ist, berichten Diane Lidke und ihre Kollegen über ihre Anwendung so genannter Quantenpunkte (Quantum Dots). Das sind winzige, nur einen zehn Millionstel Millimeter große Halbleiterkristalle, die unter Einwirkung von Laserlicht in verschiedenen Farben aufleuchten können. Mit Hilfe dieser Kristalle ist es dem Forscherteam gelungen, zum ersten Mal die Signalübermittlung innerhalb der so genannten erbB-Rezeptorenfamilie, der Zielsubstanz vieler Krebsmedikamente, zu visualisieren. Dabei werden etwa der Prozess der Endozytose und die Übermittlung von epidermalen Wachstumsfaktoren in der Zelle sichtbar gemacht. Gleichzeitig ist es zum ersten Mal überhaupt gelungen, die von Wachstumsfaktoren abhängige Kommunikation einer Zelle mit ihrer Umgebung in bewegten Bildern festzuhalten.

"Unsere Untersuchungen am lebenden Objekt ergaben völlig neue Einsichten in zelluläre Prozesse und Interaktionen, die sich bisher nur an fixierten, also toten Zellen studieren ließen", schreibt das Forscherteam unter Leitung von Dr. Thomas Jovin, Direktor der Abteilung Molekulare Biologie am Göttinger Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie. "Ein Verständnis der Rezeptor-vermittelten Signalübertragungen in der Zelle ist essentiell für die Entwicklung von Therapien, die an den Rezeptoren ansetzen. Forschungsansätze, die auf der Kombination von Quantum Dots und Liganden beruhen, sind künftig für solche Forschungen unverzichtbar."

Zellen, die ein Fusionsprotein aus dem epidermalen Wachstumsfaktor-Rezeptor erbB1und grün-floureszierendem Protein (eGFP, grün) exprimieren, nach einer kurzen Inkubation mit Komplexen aus dem epidermalen Wachstumsfaktor EGF und Quantum Dots Nanopartikeln (QD, rot). Die EGF-QD-Komplexe binden an die Zellmembran, insbesondere auch an die Filopodien. Die Aktivierung der Rezeptoren durch die EGF-QD Komplexe führt zu einer wellenförmigen Veränderung der Zellmembran.

In einem Kommentar zu dieser Studie, der in derselben Ausgabe von Nature Biotechnology erschien, begrüßen zwei führende Experten auf dem Gebiet der bildgebenden Verfahren für lebende Zellen den jetzt erreichten Durchbruch. "Halbleiter-Nanokristalle können die Bewegungen einzelner Rezeptoren auf der Oberfläche lebender Zellen nun in bisher unerreichter Präzision und mit einer viel größeren Auflösung verfolgen", so Dr. Gal Gur und Dr. Yosef Yarden vom israelischen Weizmann Institute of Science. "(Herkömmliche) Imaging-Methoden litten bisher an mangelnder Bildauflösung und funktionierten nur nach umfassenden Manipulationen oder konnten nur sehr kurze Schnappschüsse der Rezeptordynamik liefern".

Bisherige Hilfsmittel, wie fluoreszierende Farbstoffe oder Polymerkugeln, bleichen zu schnell - oft in nur wenigen Sekunden - aus, um für Videoaufnahmen über einer längeren Zeitraum in Frage zu kommen. Quantum Dots ermöglichen es dagegen, viele Bestandteile einer Zelle über einen Zeitraum von Minuten oder sogar Stunden zu beobachten. Die Länge der Beobachtungszeit ist heute ein entscheidender Faktor für die Erforschung zellulärer Prozesse, denn häufig ereignen sich radikale Veränderungen innerhalb weniger Minuten. Herkömmliche Techniken hingegen konnten - etwa mit Farbstoffen - nur Schnappschüsse dieser Prozesse liefern.

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