Innovative Mikroskopietechnik enthüllt Geheimnisse der Lipidsynthese in Zellen

Photothermische Zweifarben-Infrarotmikroskopie eröffnet neue Möglichkeiten für die langfristige Untersuchung des Lipidstoffwechsels in lebenden Zellen

30.01.2024

Das Titelbild des Papiers stellt visuell den zellulären Prozess dar, bei dem Fettsäuren durch verschiedene Enzyme zu neutralen Lipiden synthetisiert werden.

Institute for Basic Science

Südkoreanische Forscher unter der Leitung von Direktor CHO Minhaeng am IBS Center for Molecular Spectroscopy and Dynamics (IBS CMSD) haben eine entscheidende Entdeckung auf dem Gebiet der Zellmikroskopie gemacht. Das Team hat erfolgreich die Zwei-Farben-Infrarot-Photothermal-Mikroskopie (Two-color infrared photothermal microscopy, 2C-IPM) entwickelt, eine neuartige Technologie zur Untersuchung neutraler Lipide in Lipidtröpfchen lebender Zellen. Diese neue Mikroskopie kann mit Isotopenmarkierung verwendet werden, was eine detaillierte Überwachung der Synthese neutraler Lipide in einzelnen Lipidtröpfchen ermöglicht.

Lipidtröpfchen (LDs) sind Strukturen, die aus Taschen mit neutralen Lipiden (Triglyceriden) bestehen, die in einer Monoschicht aus Phospholipiden eingeschlossen sind. Sie galten lange Zeit als relativ uninteressante Organellen, deren einziger Zweck es ist, überschüssige Energie in Form von neutralen Lipiden zu speichern. Jüngste Studien zeigen jedoch, dass diese Tröpfchen tatsächlich dynamische Akteure in verschiedenen zellulären Stoffwechselaktivitäten sind. Es wurde festgestellt, dass sie aktiv an der Regulierung der Lipidtoxizität und der Zellkommunikation beteiligt sind und mit weit verbreiteten Krankheiten wie Fettleibigkeit und nichtalkoholischer Fettlebererkrankung in Verbindung stehen. Das Verständnis der Funktionen von LDs ist daher für die Diagnose und Behandlung dieser Krankheiten von entscheidender Bedeutung.

Bisher haben Forscher die Zellen mit lipophilen Farbstoffen angefärbt und Fluoreszenzmikroskopie eingesetzt, um die LDs in den Zellen zu untersuchen. Diese Methode hat jedoch mehrere erhebliche Einschränkungen. Die erste ist das Photobleichen der Farbstoffe, wodurch die Beobachtungsdauer der LDs auf sehr kurze Zeitfenster beschränkt ist. Eine weitere Einschränkung sind die Fluoreszenzfarbstoffe selbst. Die derzeit verwendeten Fluoreszenzfarbstoffe zielen lediglich auf die hydrophobe Umgebung innerhalb der LDs ab und nutzen nicht näher spezifizierte Bindungsmechanismen. Sie sind daher nicht in der Lage, die Zusammensetzung und Menge der neutralen Lipide genau zu analysieren.

Im Gegensatz zu früheren Methoden, die sich auf die Fluoreszenzmikroskopie stützten, verwendet die neue 2C-IPM-Technologie eine Infrarot (IR)-spektroskopische Methode und benötigt keine Fluoreszenzfarbstoffe. Die neue Methode überwacht die neutralen Lipide in den LDs direkt durch den Nachweis von Änderungen der IR-Absorption. Dieser Vorteil ermöglicht es den Forschern, die Synthese von neutralen Lipiden in einzelnen LDs in lebenden Zellen über einen langen Zeitraum zu beobachten.

Mit der neu entwickelten Methode untersuchte das Forscherteam die Synthese von neutralen Lipiden in Zellen, die einem Überschuss an Fettsäuren ausgesetzt waren. Die Forscher waren in der Lage, frisch synthetisierte neutrale Lipide von bereits vorhandenen neutralen Lipiden in den Zellen zu unterscheiden, indem sie deuteriummarkierte Fettsäuren untersuchten, die sich in ihren spektroskopischen Eigenschaften von nicht deuterierten Formen unterscheiden. Die Analyseergebnisse belegen, dass überschüssige Fettsäuren eine Lipidtoxizität verursachen und die Zellen darauf mit einer erhöhten Synthese neutraler Lipide reagieren.

Der Hauptautor, der Forscher PARK Chanjong, bemerkte: "Diese Studie ist ein grundlegendes Beispiel für die Möglichkeit der langfristigen Erforschung von Lipidtropfen und internen neutralen Lipiden in lebenden Zellen. Die in dieser Forschung etablierte Analysemethode kann für die Diagnose und Behandlung von Krankheiten eingesetzt werden, die eng mit dem Lipidstoffwechsel verbunden sind, wie z. B. die nichtalkoholische Fettlebererkrankung."

Direktor CHO Minhaeng kommentierte: "Durch die erfolgreiche Beobachtung des Prozesses der Synthese neutraler Lipide in lebenden Zellen haben wir eine neue Grundlage für die Untersuchung der Funktionen von Lipidtröpfchen in Zellen auf molekularer Ebene geschaffen. Es ist zu erwarten, dass diese Methode bei der Untersuchung verschiedener zellulärer Stoffwechselphänomene breite Anwendung finden wird."

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Originalveröffentlichung

Chanjong Park, Jong Min Lim, Seok-Cheol Hong, Minhaeng Cho; "Monitoring the synthesis of neutral lipids in lipid droplets of living human cancer cells using two-color infrared photothermal microscopy"; Chemical Science, Volume 15, 2024

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