Sleutelprocessen in het lichaam worden gecontroleerd door de calciumconcentratie in en rond cellen. Een team van de Technische Universiteit van München (TUM) en het Helmholtz Zentrum München hebben het eerste sensormolecuul ontwikkeld dat calcium in levende dieren kan visualiseren met behulp van een stralingsvrije beeldvormingstechniek die bekend staat als opto-akoestiek. De methode vereist niet dat de cellen genetisch gemodificeerd zijn en brengt geen blootstelling aan straling met zich mee.

Calcium is een belangrijke boodschapper in het lichaam. In zenuwcellen, bijvoorbeeld, calciumionen bepalen of signalen worden doorgegeven aan andere zenuwcellen. En of een spier samentrekt of ontspant, hangt af van de calciumconcentratie in de spiercellen. Dit geldt ook voor het hart.

"Omdat calcium zo'n belangrijke rol speelt in essentiële organen zoals het hart en de hersenen, het zou interessant zijn om te kunnen observeren hoe calciumconcentraties diep in levende weefsels veranderen en op deze manier ons begrip van ziekteprocessen te verbeteren. Ons sensormolecuul is een kleine eerste stap in deze richting, " zegt Gil Gregor Westmeyer, hoofd van de studie en een professor aan het Helmholtz Zentrum München. Professor Thorsten Bach van de afdeling Chemie van de TUM was ook betrokken bij het onderzoek, die werd gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society . De onderzoekers hebben hun molecuul al getest in het hartweefsel en de hersenen van levende zebravislarven.

Calciummetingen ook mogelijk in diep weefsel

De sensor kan worden gemeten met een relatief nieuwe, niet-invasieve beeldvormingsmethode bekend als optoakoestiek, waardoor het geschikt is voor gebruik bij levende dieren - en mogelijk ook bij mensen. De methode is gebaseerd op ultrasone technologie, die onschadelijk is voor de mens en geen straling gebruikt. Laserpulsen verwarmen het fotoabsorberende sensormolecuul in weefsel. Hierdoor zet het molecuul kort uit, resulterend in het genereren van ultrasone signalen. De signalen worden vervolgens gedetecteerd door ultrasone sensoren en vertaald in driedimensionale beelden.

Licht verstrooit als het door weefsel gaat. Om deze reden, beelden onder een lichtmicroscoop worden wazig op een diepte van minder dan een millimeter. Dit benadrukt nog een ander voordeel van opto-akoestiek:echografie ondergaat zeer weinig verstrooiing, produceert scherpe beelden, zelfs op dieptes van enkele centimeters. Dit is vooral handig voor het onderzoeken van de hersenen, omdat bestaande methoden slechts enkele millimeters onder het hersenoppervlak doordringen. Maar de hersenen hebben zo'n complexe driedimensionale structuur met verschillende functionele gebieden dat het oppervlak er maar een klein deel van uitmaakt. De onderzoekers willen daarom de nieuwe sensor gebruiken om calciumveranderingen diep in levend weefsel te meten. Ze hebben al resultaten geboekt in de hersenen van zebravislarven.

Niet giftig en stralingsvrij

Aanvullend, de wetenschappers hebben het sensormolecuul zo ontworpen dat het gemakkelijk door levende cellen kan worden opgenomen. Bovendien, het is onschadelijk voor weefsels en werkt op basis van kleur:zodra de sensor zich aan calcium bindt, zijn kleur verandert, wat op zijn beurt het door licht geïnduceerde opto-akoestische signaal verandert.

Veel momenteel beschikbare beeldvormingsmethoden voor het visualiseren van calciumveranderingen vereisen genetisch gemodificeerde cellen. Ze zijn geprogrammeerd, bijvoorbeeld, fluoresceren wanneer de calciumconcentratie in de cel verandert. Het probleem is dat het niet mogelijk is om dergelijke genetische ingrepen bij mensen uit te voeren.

De nieuwe sensor overwint deze beperking, zeggen de wetenschappers. In de toekomst, de onderzoekers zijn van plan om de eigenschappen van het molecuul verder te verfijnen, waardoor de sensorsignalen in nog diepere weefsellagen kunnen worden gemeten. Hiertoe, het team onder leiding van Gil Gregor Westmeyer moet verdere varianten van het molecuul genereren die licht absorberen met een langere golflengte dan niet kan worden waargenomen door het menselijk oog.