Sauerstoffmessung in Zellen steht im Fokus der Wissenschaft

Die Sauerstoffversorgung von Zellen ist Kern der Forschung der diesjährigen Medizinnobelpreisträger, den Forschern William Kealin Jr. (USA), Sir Peter Ratcliffe (GB) und Gregg Semenza (USA), die molekulare Mechanismen entdeckt haben, mit denen Zellen den Sauerstoffgehalt messen und sich daran anpassen.

Eine wichtige Rolle dabei spielt der sogenannte Hypoxie-induzierte Faktor (HIF), ein Transkriptionsfaktor, der die Versorgung der Zellen mit Sauerstoff reguliert, indem er eine Balance zwischen Sauerstoffbedarf und Sauerstoffversorgung herstellt. Über HIF werden u.a. die Erythropoiese, die Angiogenese und der Glukosetransport wesentlich reguliert. Dieser „HIF-Schalter“ gehört zu den wichtigsten physiologischen Anpassungsreaktionen des menschlichen Körpers und zeigt, dass das Sauerstoffmilieu bei allen Zellforschungen berücksichtigt werden sollte.

Eine der großen Herausforderungen von 3D-Gewebekonstrukten für z. B. Transplantationen ist die Entwicklung von Sauerstoff- und Nährstoffgradienten in der Mitte eines gezüchteten Gewebes. Das übliche Standardverfahren in der 3D-Zellzucht sieht nach der Zellkultivierung das histologische  Schneiden und Färben der Zellen vor, um so die Sauerstoffverteilung, Hypoxie oder auch den Zelltod nachzuweisen. PreSens bietet mit seinen Mikrosensoren und dem VisiSens™ Imagingsystem die bislang einzigen online-Methoden für die Hypoxie-Messung an, welche ohne eigenen Sauerstoffverbrauch bei der Messung selbst eine genaue Sauerstoff-Punkt-Messung in 3D Zellkonstrukten ermöglichen und somit auch einen Rückschluss auf die sauerstoffabhängige Regulation HIF-abhängiger Gene zulassen. So konnten Colgan et al. mit den PreSens Messsystemen bereits erfolgreich zeigen, dass die lokale HIF-vermittelte Sauerstoffminderung durch migrierende Neutrophile die Entzündungsreaktion bei Darmentzündungen positiv beeinflusst¹. Der Zellstoffwechsel hängt u. a. entscheidend von lokaler O₂-Zufuhr ab. Insbesondere in 2D- und 3D-Zellkulturen oder gezüchtetem Gewebe können Zellen, die sich in diffusionsbeschränkten Regionen (z. B. in Zellträgern oder Sphäroiden) befinden, niedrigen Sauerstoffkonzentrationen ausgesetzt sein. Nicht-invasive, kontinuierliche 2D-Kartierung kann dabei direkt im Inkubator unter Wachstumsbedingungen durchgeführt werden. Darüber hinaus können die Verteilungen von Analyten in lebenden Proben in 2D visualisiert werden.

Die optischen Sensoren von PreSens werden u. a. bereits für die Überwachung der Sauerstoffversorgung von Perfusaten in unterschiedlichen Transplantationsforschungs-Projekten verwendet.

Andere potentielle Anwendungen beinhalten sowohl die Tumor-Sauerstoffüberwachung / Angiogenese als auch die Überwachung lebenswichtiger Organe, Muskelgewebe und Herzklappen und Sauerstoffmessungen in der Augenheilkunde.

¹https://www.presens.de/de/wissen/publikationen/applikationsbericht/lokalisierte-sauerstoffverminderung-durch-transmigration-von-neutrophilen-beeinflusst-entzuendungsrueckgang-1281.html