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22.09.2009

Neuartige Biosensoren verbessern molekulare Bildgebung


Der Biophysiker Dr. Leif Schröder vom Leibniz-Institut für Molekulare Pharmakologie (FMP) auf dem Campus Berlin-Buch erhält vom Europäischen Forschungsrat (ERC) in den kommenden fünf Jahren fast zwei Millionen Euro Forschungsgelder. Dr. Schröder leitet seit Sommer dieses Jahres eine Nachwuchsgruppe zur molekularen Bildgebung am FMP, einem Institut im Forschungsverbund Berlin e.V. (FVB) und Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft. Mit Schröder und der Diabetesforscherin Dr. Francesca M. Spagnoli vom Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin (MDC) gehören zwei Wissenschaftler vom Campus Berlin-Buch zu den rund 240 Spitzenforschern, die der ERC aus 2 503 Bewerbern für die Förderung ausgewählt hat.

Dr. Schröder genießt internationale Anerkennung für seine Forschung zu Xenon-Biosensoren, mit deren Hilfe die molekulare Bildgebung sensitiver und informationsreicher wird. Xenon-Biosensoren sind Messfühler, die mit dem Edelgas Xenon sowie einem biochemischen Molekül verbunden sind. Sie können in Zellen eindringen, an spezifische Strukturen binden und mittels Magnetresonanzverfahren dargestellt werden. Damit lassen sie sich als Kontrastmittel in der Bildgebung einsetzen. Langfristig sollen sie zur frühen Erkennung krankhafter Veränderungen beitragen.

Biomedizinische Grundlagenforschung und Diagnostik sind auf die genaue Darstellung von Zellen, Geweben und Organen angewiesen. Mithilfe von Bildern lassen sich normale Strukturen und Funktionen sowie ihre krankhaften Veränderungen auf zellulärer und molekularer Ebene erkennen und beschreiben. Dr. Schröders Arbeit mit Xenon-Biosensoren hat zum Ziel, Sensitivität und Informationsgehalt der Aufnahmen zu verbessern, die durch Magnetresonanzverfahren gewonnen werden. Die Magnetresonanzbildgebung (engl. Magnetic Resonance Imaging, MRI) ist eines der aussagekräftigsten bildgebenden Verfahren mittels dessen Schnittbilder von menschlichen (oder tierischen) Körpern erzeugt werden. Die Beurteilung von Organen und ihren krankhaften Veränderungen im frühen Stadium wird jedoch derzeit durch die limitierte Sensitivität und Spezifizität von MRI-Aufnahmen erschwert.

Hier setzt die Forschung des Biophysikers an. Zur Verbesserung des Kontrastes verwendet Dr. Schröder funktionalisierte Xenon-Biosensoren als Messfühler oder Kontrastmittel. Durch ihre Kombination mit einem Sensor-Molekül binden solche Moleküle spezifisch an Zellstrukturen und ermöglichen die Erkennung von krankheitsbedingten Veränderungen. "Zum Beispiel ist es nach dem derzeitigen Forschungsstand vorstellbar, dass Xenon-Biosensoren zur Früherkennung von Krebs eingesetzt werden", erläutert Dr. Schröder. Bislang konnte er in stark vereinfachten Modellen zeigen, dass Xenon-Biosensoren die Anwesenheit eines biochemischen Ziel-Moleküls schon bei sehr geringen Konzentrationen darstellen können, etwa 10 000 mal besser als konventionelle MR-Kontrastmittel. Für die Entwicklung dieser Methode erhielt Dr. Schröder - neben weiteren renommierten Preisen - den "Gorter Award" der "International Society for Magnetic Resonance in Medicine" und im September 2009 den "Young Scientist Award in Medical Physics" der "International Union for Pure and Applied Physics" (IUPAP).

"Das Besondere an dieser Technologie ist eine neuartige Detektionsmethode, bei der einige wenige Biosensoren ihre Information auf nahezu alle verfügbaren Xenon-Atome übertragen und dadurch für einen enormen Verstärkungseffekt sorgen. Die Messzeit zum Testen, ob ein bestimmter Biosensor in der Zielstruktur anwesend ist oder nicht, konnte bereits um einen Faktor 16 Millionen verkürzt werden. Damit ist es erstmals möglich, mit MRI-Aufnahmen Moleküle in geringen Konzentrationen festzustellen, die sonst nur mit nuklearmedizinischen Methoden zugänglich sind", erläutert Schröder.

Dr. Schröder studierte Physik und Chemie an den Universitäten Göttingen und Heidelberg, wo er 2003 promovierte. Nach einem vierjährigen Aufenthalt in Berkeley an der University of California im Labor von Prof. Alexander Pines kehrte er im Sommer dieses Jahres als Emmy-Noether-Stipendiat der DFG nach Deutschland zurück, um am FMP eine Nachwuchsgruppe zur Molekularen Bildgebung aufzubauen. Mit seiner Arbeitsgruppe will er nun die Erkenntnisse zum Einsatz von Xenon-Biosensoren in der molekularen Bildgebung weiterentwickeln. Vor allem geht es ihm als nächsten Schritt darum, sie in biologischen Systemen im Labor oder im Organismus anzuwenden. Am Ende dieses Prozesses wird der Einsatz von Xenon-Biosensoren in Tiermodellen stehen. Damit wird Dr. Schröder einem Einsatz in der Krebsfrüherkennung entscheidend näher kommen.

Quelle: idw/Forschungsverbund Berlin




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