Ein Team der Purdue University in den USA hat ein neues Analyseverfahren vorgestellt, das nach eigenen Angaben einen der größten Engpässe im Laboralltag beseitigt: die aufwendige Probenvorbereitung. Die zum Patent angemeldete Methode mit dem Namen Surface Touch Extraction Imaging (STEi) erlaubt es, Proben mit unregelmäßiger Oberfläche räumlich aufgelöst auf Stoffwechselprodukte, Fette, Umweltchemikalien und Proteine zu untersuchen – ohne sie zu zerstören. Entwickelt und für mehrere Anwendungen getestet wurde das Verfahren von einem Team um Christina Ferreira und Ryan Hilger. Kombiniert wird STEi mit der Flüssigchromatographie-Tandem-Massenspektrometrie (LC-MS/MS).
- Die STEi-Methode entfällt vollständig die klassische Probenvorbereitung und erhält die räumliche Information der Probe.
- Eine Messung an einem Oberflächenpunkt dauert laut den Forschenden nur etwa 5 bis 15 Sekunden.
- Aus Rindermuskel konnten manuell rund 2.000 verschiedene Proteine gewonnen werden.
„Das STEi-Konzept erlaubt es dem Anwender im Grunde, eine Probe einzulegen, ‚Start‘ zu drücken und ein räumlich aufgelöstes chemisches Porträt der Probe zu erzeugen – ohne sie jemals zu schneiden, zu zermahlen oder zu zerstören“, sagt Christina Ferreira, Forschungsprofessorin am Bindley Bioscience Center der Purdue University.
Warum die bisherige Probenvorbereitung so viel zerstört
Ferreira beschreibt das Problem herkömmlicher LC-MS/MS-Analysen deutlich: Die Vorbereitung erfordere zahlreiche Schritte wie Mischen, Zentrifugieren, Umfüllen und Trocknen. „Das zerstört die Probe und wirft die räumliche Information darüber weg, wo eine Chemikalie in der Probe gefunden wurde“, sagt sie. Wolle man eine unregelmäßige Oberfläche wie ein Stück Lebergewebe oder ein Fischfilet räumlich analysieren, müsse man es bislang schneiden und flach machen, um die Chemikalien vor der Analyse extrahieren zu können.
Zum Verständnis: Die Massenspektrometrie in Kombination mit Flüssigchromatographie ist ein Standardverfahren, um chemische Zusammensetzungen präzise zu bestimmen. Der Nachteil bisheriger Ansätze liegt darin, dass die Probe für die Messung meist vermengt wird – am Ende steht ein einziger Durchschnittswert, nicht die Verteilung eines Stoffes über die Probe hinweg.
Wie eine drucksensitive Sonde die Probe abtastet
Der Ablauf beginnt damit, dass eine intakte, unbehandelte Probe – etwa eine Gewebebiopsie, ein Lebensmittel oder ein Stück Verpackung – auf den Gerätetisch gelegt wird. Eine integrierte Kamera und ein Bildgebungsmodul scannen die Oberfläche, eine Software berechnet daraufhin einen Pfad und legt fest, an welchen Punkten und in welcher Reihenfolge die Extraktionssonde die Probe berühren soll.
Eine feine Sondenspitze senkt sich zu jedem programmierten Punkt und stellt über ein Lösungsmittel – etwa Wasser, Acetonitril oder eine Mischung – Kontakt zur Oberfläche her. Ein Kraft- beziehungsweise Drucksensor sorgt dafür, dass der Kontakt unabhängig von der Form der Oberfläche gleichmäßig und kontrolliert erfolgt. Genau diese Fähigkeit, unebene Oberflächen zu beproben, sei der entscheidende Unterschied zu Methoden für flache Oberflächen, betont Ferreira. Anschließend ordnet die Software die molekularen Daten wieder den ursprünglichen Oberflächenkoordinaten zu und erzeugt räumliche Wärmekarten (Heat Maps).
Was das Verfahren in der Praxis verändern würde
Aus den Aussagen der Forschenden lässt sich ableiten, was STEi für Anwender bedeuten könnte. „Für einen Lebensmittelsicherheitsforscher heißt das: weg von einem halbtägigen zerstörenden Test hin zu wenigen Minuten automatisiertem Scannen“, sagt Ferreira. „Für einen Toxikologen bedeutet es, die Verteilung eines Wirkstoffs über ein Organ hinweg zu verstehen, statt nur die durchschnittliche Konzentration zu kennen.“
Weil der Prozess automatisiert und druckgesteuert ablaufe, könnten auch weniger erfahrene Mitarbeitende die Proben zuverlässig verarbeiten. Zudem bleibe die Probe weitgehend erhalten, da nur die Oberfläche beprobt werde: „Wissenschaftler können dasselbe Stück Lebensmittel oder Gewebe wiederholt über die Zeit beproben“, so Ferreira.
Von der Lebensmittelsicherheit bis zur Arzneimittelforschung
Als erstes Einsatzfeld nennt Ferreira die Lebensmittelsicherheit. „Die Technologie wurde entwickelt, um Kontaminanten auf Lebensmitteloberflächen und Verpackungen zu erkennen sowie für Lebensmittelqualität und Lipidprofilierung, etwa das Lipid-Fingerprinting von Rinderrassen“, sagt sie. Auch der Verderb von Lebensmitteln lasse sich durch wiederholte, zerstörungsfreie Beprobung von frischem Obst und Gemüse, Geflügel, Milchprodukten und Fisch über die Zeit verfolgen. „Das ist eine Fähigkeitslücke, die geschlossen wird, nicht nur eine Verbesserung bestehender Methoden.“
Weitere Anwendungen sehen die Forschenden in der Arzneimittelentwicklung und den Lebenswissenschaften. In der präklinischen Toxikologie könne STEi in Kombination mit Massenspektrometrie den metabolischen Einfluss von Wirkstoffen, Chemikalien und Proteinen über Leber-, Nieren-, Hirn- und Darmgewebe von Tiermodellen abbilden, erklärt Ferreira.
Ferreira hat die Innovation dem Purdue Innovates Office of Technology Commercialization gemeldet, das einen Patentantrag zum Schutz des geistigen Eigentums gestellt hat. Das Team sucht nun Partner, um STEi in verschiedenen Anwendungen zu erproben, und untersucht die Rückgewinnung von Lipiden und Proteinen mit unterschiedlichen Sondenkonfigurationen. Über die manuelle Variante des Verfahrens habe man aus Rindermuskel rund 2.000 verschiedene Proteine gewinnen können, berichtet Thirumalaikumar; diese seien funktionell in kontraktile, metabolische, antioxidative und strukturelle Kategorien eingeteilt worden.
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