Lipidbestimmung: Chemischer Fingerabdruck statt Farbstoff

Ein Team von Helmholtz Munich und der Technischen Universität München (TUM) hat eine wegweisende Mikroskopietechnik entwickelt, die es ermöglicht, Lipide wie Cholesterin und Sphingomyelin in lebenden Zellen ohne chemische Markierung zu unterscheiden und zu kartieren. Da Lipide als zentrale Bausteine von Zellmembranen essenziell für die Signalübertragung und den Stofftransport sind, stellt ihre Visualisierung in lebenden Systemen eine große Herausforderung dar. Die neue Methode nutzt Licht im mittleren Infrarotbereich in Kombination mit optoakustischer Detektion, um einen spezifischen chemischen Fingerabdruck der Moleküle zu erstellen.

Damit überwindet die Technik die Grenzen der herkömmlichen Fluoreszenzmikroskopie, die für jede Lipidklasse die aufwendige und kostspielige Entwicklung maßgeschneiderter fluoreszierender Marker erfordert. Ein entscheidender Vorteil dieses markerfreien Ansatzes liegt darin, dass keine künstlichen Sonden die Funktion der Lipide beeinträchtigen, die Zellen belasten oder durch unspezifische Bindungen die Ergebnisse verfälschen können.

Mittelinfrarotes Licht und Ultraschall machen Lipide ohne Marker sichtbar

Um die Herausforderungen der Lipid-Darstellung zu meistern, entwickelte ein Team unter der Leitung von Prof. Vasilis Ntziachristos die hyperspektrale mittel-infrarote optoakustische Mikroskopie (HyFOPM). Diese innovative Technik macht Lipide in lebenden Zellen ganz ohne zusätzliche Markierung sichtbar, indem sie die Probe mit gepulstem mittel-infrarotem Licht bei verschiedenen Wellenlängen – der sogenannten „hyperspektralen“ Beleuchtung – bestrahlt. Dabei absorbieren spezifische Lipide Teile des Lichts, was zu einem minimalen Temperaturanstieg führt, der wiederum Ultraschallwellen auslöst. Diese Wellen werden von speziellen Wandlern erfasst und computergestützt in detaillierte Karten übersetzt, welche die exakte Verteilung der verschiedenen Lipide innerhalb der Probe aufzeigen.

„Das Absorptionsmuster ist charakteristisch für verschiedene Moleküle und funktioniert wie ein einzigartiger molekularer Fingerabdruck“, erklärt Dr. Francesca Gasparin. „Dieser mittelinfrarote Fingerabdruck erlaubt es uns, unterschiedliche Lipide zu unterscheiden – ganz ohne externe Marker.“

Entscheidend sind die Wellenlängen

Die Besonderheit dieser Methode liegt in der gezielten Auswahl der Wellenlängen, da herkömmliche markerfreie Verfahren oft in Spektralbereichen arbeiten, in denen auch andere Biomoleküle absorbieren. Das Team konzentriert sich stattdessen auf die sogenannte Fingerprint-Region, in der Absorptionsmuster primär durch charakteristische Schwingungen der molekularen Struktur eines Lipids entstehen. Dadurch erfasst die Technik nicht nur die einzelnen Bausteine, sondern auch deren spezifische räumliche Anordnung. Auf diese Weise gelingt es, selbst chemisch stark ähnelnde Lipidarten wie Glycerophospholipide und Sphingomyelin klar voneinander zu unterscheiden und präzise zu kartieren.

Wenig Stress für die Zellen

Zur Überprüfung der Zuverlässigkeit der chemischen Fingerabdrücke glich das Team seine Messungen mit der herkömmlichen Infrarotspektroskopie als Referenz ab. Während diese etablierte Methode zwar präzise Ergebnisse für gelöste Substanzen liefert, bleibt sie für lebende Zellen aufgrund der zellschädigenden Probenvorbereitung weitgehend ungeeignet. Die neue Mikroskopietechnik konnte die erwarteten Lipidspektren in Lösungen nicht nur reproduzieren, sondern ermöglichte erstmals auch direkte Messungen in lebenden Zellsystemen. „Ein wesentlicher Vorteil von HyFOPM ist, dass die markierungsfreie Beobachtung von Lipiden die Zellen nur minimal belastet“, erklärt Francesca Gasparin.

Perspektive: Von der Zellkultur zu patientennahen Anwendungen

Langfristig identifizieren die Forschenden vielfältige Einsatzmöglichkeiten in der Lipidforschung, die von der Grundlagenforschung bis hin zu bislang schwer zugänglichen medizinischen Anwendungsfeldern reichen.

„Die Möglichkeit, Lipidklassen in lebenden Zellen ohne Marker zu verfolgen und zu kartieren, eröffnet neue Wege, Krankheitsprozesse besser zu verstehen und Stoffwechselaktivitäten zu überwachen – nicht nur auf zellulärer Ebene, sondern perspektivisch auch beim Menschen“, sagt Prof. Vasilis Ntziachristos. „Der nächste Schritt besteht darin, die Methode zu beschleunigen und sie systematisch in komplexen zellulären Systemen zu testen, um mehr über die Entstehung von Krankheiten und die Wirkung von Medikamenten zu lernen. Langfristig wollen wir die Technik beim Menschen einsetzen, um Metaboliten kontinuierlich zu überwachen und daraus belastbare Biomarker für eine Vielzahl von Erkrankungen – insbesondere im Bereich des kardiometabolischen Syndroms und darüber hinaus – abzuleiten.“

Quelle

Helmholtz Zentrum München (03/2026)