Nach Molekülen in einer Zelle suchen

Wie verteilt sich eine chemische Substanz in einer Zelle? Wissenschaftler aus China haben jetzt ein hoch­auf­lösendes Analyse­instrument zur direkten Kartierung von Substanzen in der Zelle entwickelt. Sie zeigen, wie durch eine Verknüpfung von Massen­spektro­metrie und biologischer Bildgebung die Verteilung des Anti­septikums Proflavin um die Zell­organellen herum genau gemessen werden kann.

Um Proteine, aber auch einge­drungene Moleküle in biologischen Zellen extrem genau, also mit molekularer Auflösung, lokalisieren zu können, werden seit Langem optische Methoden wie die ultra­hoch­auf­lösenden STED- und PALM-Mikroskopie­techniken eingesetzt. Allerdings arbeiten diese nur indirekt: Das Zielmolekül muss vorher mit einem Fluoreszenz­farbstoff markiert werden, dessen Fluoreszenz dann sichtbar ist.

Eine direkte Methode ist die Massen­spektrometrie. Moleküle werden von einer Oberfläche abgelöst, in einem Laserstrahl ionisiert und dann anhand ihrer Masse aufgeschlüsselt. Allerdings ist die Massen­spektrometrie selbst kein bildgebendes Verfahren. Verbindet man jedoch Massen­spektrometrie mit hochauflösender Bildgebung, dann stößt man rasch an beugungs­bedingte Auflösungs­grenzen. Außerdem verursachen biologische Zellen mit ihren rauen Oberflächen Artefakte, die eine höhere Auflösung verhindern. Dem haben sich jetzt Wei Hang und seine Kollegen an der Universität Xiamen in China angenommen. Sie verknüpften ein Flugzeit-Massen­spektrometer mit einer bild­gebenden Methode, die Desorption und Ionisierung so integriert, dass sowohl der Oberflächen­beschaffenheit von biologischen Zellen als auch der erforderlichen hohen Bild­auflösung Rechnung getragen wird.

Mit diesem Aufbau, einem „Near-field desorption postionization time-of-flight mass spectrometer“ (NDPI-TOFMS) identifizierten sie direkt Moleküle in HELA-Zellen – einer seit Jahrzehnten etablierten menschlichen Zelllinie in Laboratorien – und erstellten eine Karte dieser Moleküle in der Zelle. Hierfür wurden die Zellen mit einem hoch­präzisen Laser abgetastet, wobei der Laser jeweils Krater von Bruchteilen von Mikrometern Durchmesser bohrte. Die dadurch abgelösten Moleküle wurden in einem zweiten Laserstrahl ionisiert und dann im Massen­spektrometer analysiert.

Der Vorteil der Methode ist, so die Forscher, dass bereits im Moment der Probennahme ein Bild der Zellen erstellt wird. Damit sei eine gleichzeitig chemische und topo­graphische Bildgebung in einer Einzelzelle möglich. Tatsächlich bildeten die 3D-rekonstru­ierten Bilder das Proflavin-Signal – das chemische Antiseptikum Proflavin wurde den Zellen zuvor von außen zugefügt – genau da ab, wo es erwartet wurde: im Zytoplasma und um die Zell­organellen herum. Mit den drei­dimensionalen Daten wurde die unebene Oberfläche einberechnet.

Anders als die bekannten Techniken der massen­spektro­metrischen Bildgebung biete diese Hybrid-Technik, die Raster­mikroskopie und Massen­spektrometrie vereinigt, „eine unverzerrte hoch­auflösende chemische Kartierung von unregel­mäßigen Oberflächen“, sagt Hang. Das Instrument ist auch verhältnis­mäßig kompakt, sodass man es laut Hang leicht in verschiedene bildgebende Verfahren, besonders für biologische Proben, integrieren kann.

Es gibt aber noch Verbesserungs­potenzial: Eine chemische Kartierung im Submikro­meter­maßstab war zwar möglich, aber die Wissenschaftler möchten den Maßstab noch weiter verkleinern. Auch muss die Zell­auf­bereitung optimiert werden, so die Autoren. Dann aber könnte man leicht hoch­auf­lösende Karte der Verteilung von chemischen Substanzen in biologischen Zellen direkt und ohne vorherige Markierung erstellen.

GdCh / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  Z. Yin et al.: Chemical and Topographical Single‐Cell Imaging by Near‐Field Desorption Mass Spectrometry, Ang. Ch., online 2. Januar 2019; DOI: 10.1002/ange.201813744
• Key Laboratory of Spectrochemical Analysis and Instrumentation, College of Chemistry and Chemical Engineering, Xiamen University, Xiamen, China