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2013|14 Jahresbericht Fraunhofer IGB

70 MEDIZIN EINSATZ DER RAMAN-SPEKTROSKOPIE IN MEDIZIN­TECHNIK UND REGENERATIVER MEDIZIN Eva Brauchle M. Sc., Prof. Dr. rer. nat. Katja Schenke-Layland M. Sc. Analyse biologischer Zell- und Gewebeproben In Medizintechnik und regenerativer Medizin ist die Analy- se seltener Gewebe- und Zellmaterialien häufig auf wenige biologische Eigenschaften beschränkt. Komplizierte Prozess- schritte machen die Analytik zu einem fehleranfälligen und zeitaufwendigen Unterfangen, bei dem die Probe am Ende für andere Methoden unbrauchbar ist. Am Fraunhofer IGB arbei- ten wir deswegen daran, nicht-invasive Technologien wie die Raman-Spektroskopie zur globalen Analyse von biologischen Zell- und Gewebeproben einzusetzen. Die Raman-Spektrosko- pie ist eine optische Technologie und basiert auf dem Effekt der Lichtstreuung an Materie. Dabei wechselwirken wenige Photonen des eingestrahlten monochromatischen Lichts mit den Molekülen der Probe und werden dadurch in ihrer Fre- quenz verschoben. Im Raman-Spektrum wird diese Frequenz- verschiebung der Photonen, die sogenannte inelastische Licht- streuung, detektiert. Die spektralen Banden sind spezifisch für Molekülbindungen und spiegeln selbst sehr komplexe Stoffge- mische, beispielsweise biologische Gewebeproben wie einen Fingerabdruck wider [1, 2]. Die einfache Probenvorbereitung sowie die Möglichkeit, unter physiologischen Bedingungen und ohne den Einsatz von Farbstoffen biochemisch relevante Informationen zu gewinnen, eröffnen der Methode ein breites medizinisches Anwendungsspektrum [2]. Berührungsfreie Qualitätskontrolle für Zellkulturen Die Charakterisierung primärer Zellen aus patienteneigenem Gewebe ist ein kritischer Schritt in der regenerativen Medizin. Mithilfe der Raman-Spektroskopie kann der aktuelle Zustand einer individuellen Zelle berührungsfrei detektiert werden. Apoptotische und nekrotische Zellen haben ein verändertes Raman-Spektrum und können aufgrund dessen von vitalen Zellen unterschieden werden. Die molekularen Banden im Spektrum sind so spezifisch, dass sogar frühe und späte Pha- sen der Apoptose erfasst werden können. Unsere Studien zei- gen, dass sich die Raman-Spektroskopie daher nicht nur zur kontinuierlichen Überwachung primärer Zellkulturen, sondern auch für zytotoxische Studien eignet, bei denen die genaue Erfassung des Zelltods eine wesentliche Rolle spielt. Analyse in vitro differenzierter Stammzellen Stammzellen besitzen ein großes Potenzial, in gewebespezi- fische Zellen zu differenzieren und für therapeutische Zwe- cke eingesetzt zu werden. Immunzytologische Methoden können zwar über bekannte Markerproteine den Differen- zierungszustand von Zellen bestimmen, erfordern aber eine Manipulation der Zellkultur. Stammzellen sowie deren Ab- kömmlinge besitzen ein molekulares Profil, welches dem ak- tuellen Zellphänotyp entspricht. Die Raman-Spektroskopie kann den Differenzierungsprozess nicht-invasiv auf moleku- larer Ebene überwachen und so die einzigartigen Profile ver- schiedener Zelltypen, die aus einer Stammzelle hervorgehen können, unterscheiden. In der Haut zeigen Fibroblasten, Ke- ratinozyten und Melanozyten ein ihrer biologischen Funktion entsprechendes, zelltypspezifisches Molekülmuster [3]. An Chondrozyten, den Zellen des Knieknorpels, wurde mit der Raman-Spektroskopie der Verlust des gewebespezifischen Zell-Phänotyps durch die In-vitro-Kultur nachgewiesen [4]. 1

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