Nyckelprocesser i kroppen styrs av koncentrationen av kalcium i och runt celler. Ett team från Technical University of München (TUM) och Helmholtz Zentrum München har utvecklat den första sensormolekylen som kan visualisera kalcium i levande djur med hjälp av en strålningsfri avbildningsteknik som kallas optoakustik. Metoden kräver inte att cellerna är genetiskt modifierade och innebär ingen exponering för strålning.

Kalcium är en viktig budbärare i kroppen. I nervceller, till exempel, kalciumjoner avgör om signaler vidarebefordras till andra nervceller. Och om en muskel drar ihop sig eller slappnar av beror på koncentrationen av kalcium i muskelcellerna. Detta gäller även för hjärtat.

"Eftersom kalcium spelar en så viktig roll i viktiga organ som hjärtat och hjärnan, det skulle vara intressant att kunna observera hur kalciumkoncentrationer förändras djupt inne i levande vävnader och på så sätt förbättra vår förståelse för sjukdomsprocesser. Vår sensormolekyl är ett litet första steg i denna riktning, " säger Gil Gregor Westmeyer, chef för studien och professor vid Helmholtz Zentrum München. Professor Thorsten Bach från TUM:s institution för kemi var också involverad i studien, som publicerades i i Journal of the American Chemical Society . Forskarna har redan testat sin molekyl i hjärtvävnaden och hjärnan hos levande zebrafisklarver.

Kalciummätningar även möjliga i djup vävnad

Sensorn kan mätas med en relativt ny, icke-invasiv avbildningsmetod känd som optoakustik, vilket gör det lämpligt att använda i levande djur — och möjligen även på människor. Metoden är baserad på ultraljudsteknik, som är ofarligt för människor och använder ingen strålning. Laserpulser värmer upp den fotoabsorberande sensormolekylen i vävnaden. Detta gör att molekylen expanderar kort, vilket resulterar i generering av ultraljudssignaler. Signalerna detekteras sedan av ultraljudssensorer och översätts till tredimensionella bilder.

Ljus sprids när det passerar genom vävnad. Av denna anledning, bilder under ett ljusmikroskop blir suddiga på mindre än en millimeters djup. Detta framhäver en annan fördel med optoakustik:Ultraljud genomgår väldigt lite spridning, ger skarpa bilder även på flera centimeters djup. Detta är särskilt användbart för att undersöka hjärnan, eftersom befintliga metoder bara tränger in några millimeter under hjärnans yta. Men hjärnan har en så komplex tredimensionell struktur med olika funktionsområden att ytan bara utgör en liten del av den. Forskarna siktar därför på att använda den nya sensorn för att mäta kalciumförändringar djupt inne i levande vävnad. De har redan uppnått resultat i hjärnan på zebrafisklarver.

Giftfritt och strålningsfritt

Dessutom, forskarna designade sensormolekylen så att den lätt tas upp av levande celler. Dessutom, det är ofarligt för vävnader och fungerar baserat på färg:Så snart sensorn binder till kalcium, dess färg ändras, vilket i sin tur ändrar den ljusinducerade optoakustiska signalen.

Många för närvarande tillgängliga avbildningsmetoder för att visualisera kalciumförändringar kräver genetiskt modifierade celler. De är programmerade, till exempel, att fluorescera närhelst kalciumkoncentrationen i cellen förändras. Problemet är att det inte går att utföra sådana genetiska ingrepp på människor.

Den nya sensorn övervinner denna begränsning, säger forskarna. I framtiden, forskarna planerar att förfina molekylens egenskaper ytterligare, gör att sensorsignalerna kan mätas i ännu djupare vävnadslager. För detta ändamål, teamet som leds av Gil Gregor Westmeyer måste generera ytterligare varianter av molekylen som absorberar ljus med en längre våglängd än vad som inte kan uppfattas av det mänskliga ögat.