Münster (mfm/tb) - Biomoleküle wie Vitamine, Kohlenhydrate und Hormone spielen in vielen Lebensvorgängen eine zentrale Rolle. Eine Möglichkeit, diese Stoffe sichtbar zu machen - und so die in Zellen und Organen ablaufenden Vorgänge besser zu verstehen – ist die noch recht junge Methode der bildgebenden Laser-Massenspektrometrie: Gewebeschnitte werden mit einem feinfokussierten Laserstrahl abgerastert und die dabei abgetragenen Moleküle in einem Massenspektrometer hinsichtlich ihres charakteristischen „Gewichtes“ - genauer: ihrer Masse - analysiert. So bekommen Forscher Bilder aus extrem kleinen Arealen. Allerdings hat die Methode auch ihre Grenzen – die ein Forscherteam der Universität Münster nun überwinden will. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert ihre Arbeiten hierzu mit rund einer halben Million Euro.
Die Laser-Massenspektrometrie ermöglicht es, die räumliche Verteilung einer Vielzahl von Stoffen gleichzeitig und mit einer Auflösung im Bereich von etwa 10 bis 100 Mikrometer darzustellen – das entspricht einem Zehntel bis Hundertstel eines Millimeters. Der Haken an der Sache: „Nur ein kleiner Teil der laserzerstäubten Teilchen ist zugleich auch elektrisch geladen. Dies ist jedoch eine Grundvoraussetzung dafür, dass das Massenspektrometer sie nachweisen kann“, berichtet Prof. Klaus Dreisewerd. Als Biophysiker im Institut für Hygiene kennt er noch eine weitere Herausforderung an die Bildgebung mittels Laser-Massenspektrometrie: „Biologen und Mediziner wünschen sich für ihre Fragestellungen oft eine noch höhere Auflösung im zellulären Bereich, so wie moderne optische Mikroskope diese bereitstellen. Diese können allerdings nicht wie das Massenspektrometer eine umfassendere molekulare Information liefern“.
Das Forscherteam um Dreisewerd und seinem ebenfalls im Institut für Hygiene tätigen Kollegen Dr. Jens Soltwisch hat hierzu schon eine entscheidende Verbesserungsmöglichkeit aufgespürt: In der renommierten Fachzeitschrift „Science“ beschrieben die Wissenschaftler im April 2015, dass sich die analytische Empfindlichkeit und die darstellerische Genauigkeit der bildgebenden Laser-Massenspektrometrie durch den Einsatz eines zweiten Lasers noch einmal enorm steigern lassen. Mit dem zusätzlichen Laser werden nicht geladene Teilchen „nachionisiert“.
Im nächsten Schritt will das Team diese innovative, MALDI-2 genannte Technologie weiterentwickeln, was die DFG für zunächst drei Jahre finanziert. Neben Mitteln zur Entwicklung neuer biomedizinischer Anwendungen und Erforschung der methodischen Grundlagen beinhaltet die Förderung vor allem die Anschaffung eines Lasers mit besonders kurzen, intensiven Lichtblitzen, die nur 30 Pikosekunden lang sind. „Dies ist weniger als ein Zehnmillionstel einer Millisekunde“, erläutert Dreisewerd, der das Vorhaben zusammen mit Soltwisch leiten wird. „Wir erhoffen uns damit eine weiter gesteigerte Ausbeute an geladenen Biomolekülen durch sogenannte Zwei-Photonenprozesse, bei der die kurze Lasereinstrahlzeit stark zu Buche schlägt“.
In einem weiteren Teil des Projektes soll die Laser-Massenspektrometrie um eine Technik erweitert werden, dank der der erste Laser Gewebeschnitte mit einer Auflösung von nur rund einem Mikrometer abrastern kann. „In Kombination mit dem zweiten Laser zur Nachionisation könnte es so erstmals gelingen, die komplexen Inhalte einzelner Zellen umfassender zu veranschaulichen. Viele menschliche und tierische Zellen haben nämlich einen Durchmesser von wenigen Mikrometern“, blickt Dreisewerd nach vorn.
Mit ihrem aktuellen Projekt schreiben die münsterschen Biophysiker eine Erfolgsstory fort, die mit der von Prof. Franz Hillenkamp (Münster) und Prof. Michael Karas (Münster, später Frankfurt/M.) eingeführten MALDI-Methode in den 1980-er Jahren begann, damals noch ohne die Bildgebungsfunktion. Heute sind MALDI-Systeme weltweit in großer Zahl im Einsatz und werden über ihre neue Funktion als molekulares „Mikroskop“ hinaus in der mikrobiologischen Diagnostik schon routinemäßig eingesetzt, so zur schnellen Identifizierung von Mikroorganismen wie Bakterien und Pilzen. In der biomedizinischen Forschung dienen sie zudem zur Untersuchung der molekularen Grundlagen von Krankheitsprozessen. Eine weiter optimierte MALDI-2-Technik wäre ein neuer großer Wurf, mit dem diese Möglichkeiten noch einmal immens wüchsen.

Was ist MALDI? Was kann MALDI? Dieses Video, gedreht anlässlich des "Science Day" der Medizinischen Fakultät, erklärt es (zum Abspielen anklicken):