Fluoreszenzbasierte Sensorik könnte ein nützliches Werkzeug zur Überwachung des Laktatspiegels in lebenden Organismen sein

Laktat entsteht im Körper als Nebenprodukt während des normalen Stoffwechsels und bei körperlicher Betätigung. Während Laktat lange Zeit als nutzloses Abfallprodukt galt, haben neuere Studien gezeigt, dass Laktat ein Indikator für Krebs und verschiedene andere Krankheiten sein kann. Vor diesem Hintergrund kann uns die Überwachung des Laktatspiegels helfen, den Prozess des Energiestoffwechsels besser zu verstehen. Aktuelle Nachweismethoden liefern jedoch nur Aufzeichnungen von Laktatkonzentrationen außerhalb der Zelle und nicht genügend zeitliche Auflösung, um Änderungen dieser Konzentrationen in Echtzeit zu erkennen. Dies macht es besonders schwierig, Laktatspiegel im Gehirn zu bestimmen, wo ihre Konzentrationen niedriger sind als bei anderen Metaboliten.

Um die Nachweisempfindlichkeit von Laktat zu verbessern, wurde kürzlich ein Laktatsensor mit hoher zeitlicher Auflösung entwickelt, der als “Laconic” bekannt ist. Der Sensor enthält zwei fluoreszierende chemische Verbindungen (oder „Fluorophore“), die als „Donor“ und „Akzeptor“ bezeichnet werden, und basiert auf einem Mechanismus namens „Fluorescence Resonance Energy Transfer“ (FRET). Diese Verbindungen emittieren Licht unterschiedlicher Wellenlängen und sind durch ein Molekül getrennt, das in der Lage ist, mit Laktat zu interagieren. Wird der Sensor mit Licht bestrahlt, nimmt der Donor die Energie auf und überträgt sie auf das Akzeptormolekül. Die Intensität des emittierten Lichts hängt von der Energieübertragung und dem Abstand zwischen den beiden Fluorophoren ab.

Wenn Laktat mit dem Molekül interagiert, das die Fluorophore trennt, ändert es den Abstand zwischen ihnen und damit die Intensität des emittierten Lichts. Daher können diese Sensoren das Vorhandensein von Laktat erkennen, indem sie die Signalintensität des emittierten Lichts beobachten. Zusammen mit einem funktionellen MRT-Scan kann dies helfen, zellspezifische Laktatspiegel abzubilden und sie mit dem Blutfluss im Gehirn zu verknüpfen. Änderungen im Blutfluss können jedoch Artefakte in die gemessenen Signale einführen. Um winzige Laktatwerte zu erkennen, müssen diese Artefakte identifiziert und korrigiert werden.

An dieser Front haben Forscher des Universitätsklinikums Münster, Deutschland, und der Universität Paris-Saclay, Frankreich, kürzlich untersucht, wie diese Sensoren auf Zustände im Gehirn reagieren, insbesondere auf Änderungen des Blutflusses und des Blutsauerstoffgehalts. Die Ergebnisse der Studie werden in der Zeitschrift veröffentlicht Neurophotonik.

Zusammen mit Laconic verwendeten die Forscher einen FRET-basierten Kalziumsensor zur Untersuchung der Artefakte. Die Laconic-Sensoren wurden in Rattenmodellen genetisch kodiert, um im sensorischen Kortex, dem Teil des Gehirns, der sensorische Informationen empfängt, exprimiert zu werden. Um Fluoreszenzsignale zu erhalten, wurde direkt über dem Sensor eine optische Faser implantiert, um das in die zu beobachtende Gehirnregion ein- und austretende Licht zu leiten. Laktat- und Kalziumkonzentrationen im Gehirn wurden dann nach Stimulation des sensorischen Cortex und intravenösen (IV) Laktatinjektionen gemessen.

Sowohl Kalzium- als auch Laktatsensoren reagierten auf Veränderungen der Gehirnaktivität. Die in den Neuronen (Gehirnzellen) exprimierten Laktatsensoren waren in der Lage, Erhöhungen der Laktatkonzentration zu erkennen, die durch die IV-Injektionen eingeführt wurden. Die Aufnahmen wurden jedoch durch das Hämoglobin im Blut beeinträchtigt, das zusammen mit den Fluorophoren auch Licht absorbierte. Da Änderungen im Blutfluss die Hämoglobinkonzentration veränderten, verursachte dies auch eine Änderung in der Intensität von Fluoreszenzsignalen. Die Forscher korrigierten diese Artefakte mithilfe eines Korrekturalgorithmus, der sie sowohl für gleichzeitige als auch getrennte Messungen von Fluoreszenz- und MRT-Signalen entfernte. Darüber hinaus validierten sie ihre Messungen anhand lokaler Feldpotentialaufzeichnungen und Blutanalysen.

Diese Ergebnisse deuten stark darauf hin, dass die fluoreszenzbasierte Erfassung ein nützliches Werkzeug zur Messung zellspezifischer Veränderungen des Laktatspiegels in lebenden Organismen sein könnte, vorausgesetzt, die Signale werden auf Artefakte korrigiert. Dies könnte neue Dimensionen bei der Erkennung von Krebs und anderen Pathologien wie Entzündungs- und Autoimmunerkrankungen eröffnen.

Quelle:

Zeitschriftenreferenz:

Lambers, H., et al. (2022)Faserbasierte Laktataufzeichnungen mit Fluoreszenz-Resonanz-Energietransfersensoren durch Anwendung einer Magnetresonanz-informierten Korrektur hämodynamischer Artefakte. Neurophotonik. doi.org/10.1117/1.NPh.9.3.032212.

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