Höchstauflösende Bildgebung zur Untersuchung der photodynamischen Inaktivierung von pathogenen Mikroorganismen

• Antragstellerin: Dr. Anita Gollmer
• Fachliche Zuordnung: Dermatologie ; Medizinische Physik, Biomedizinische Technik ; Parasitologie und Biologie der Erreger tropischer Infektionskrankheiten
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 235013909

Die zunehmende Verbreitung multiresistenter, widerstandsfähiger Mikroorganismen stellt die Medizin aber auch den Lebensmittelbereich vor größte Probleme. Neben der Entwicklung neuartiger Antibiotika werden auch andere Verfahren zur Bekämpfung von pathogenen Mikroorganismen intensiv erforscht. Eines dieser Verfahren ist die photodynamische Inaktivierung von Mikroorganismen (PDI). Dazu werden die Mikroorganismen mit Farbstoffen (Photosensibilisatoren, PS) inkubiert. Nach einer kurzen Inkubationsphase werden die PS mit Licht angeregt. Damit entsteht direkt an den Mikroorganismen der hochreaktive Singulett-Sauerstoff (1O2), der zelluläre Strukturen oxidativ schädigt und damit Mikroorganismen abtöten kann.Derzeit ist aber noch unklar, mit welchen chemischen PS-Strukturen bei welchen Mikroorganismen eine möglichst hohe Effizienz der Abtötung zu erreichen ist. Um die PDI bei möglichst vielen Mikroorganismen (Bakterien, Pilze, Sporen) effektiv einsetzen zu können, ist die Kenntnis der subzellulären Lokalisation chemisch unterschiedlicher PS und deren Wirkung von entscheidender Bedeutung (Struktur-Wirkungsprinzip). Dazu werden neben spektroskopischen und biochemischen Nachweismethoden üblicherweise die Fluoreszenzmikroskopie eingesetzt. Im Vergleich zu eukaryotischen Zellen sind aber Bakterien und Sporen erheblich kleiner (~ 1 - 5 µm), was die Verwendung der konventionellen Lichtmikroskopie verhindert. Daher sollen höchstauflösende Techniken der Fluoreszenzmikroskopie (PALM/STORM) verwendet werden, die eine Bildgebung jenseits der lichtmikroskopischen Auflösung ermöglichen.Im ersten Schritt sollen für die Verwendung der PALM/STORM Technik photoschaltbare Farbstoff-Konjugate entwickelt werden. Die PS und deren Konjugate sollen in Zellsuspensionen spektroskopisch (1O2 Lumineszenz, PS Phosphoreszenz, Quantenausbeuten) untersucht werden. Zudem kann die zeitliche Kinetik der Signale (Lumineszenz, Phosphoreszenz) einen ersten Aufschluss über die Lokalisation der PS bzw. der photoschaltbaren Farbstoff-Konjugate in den jeweiligen Mikroorgansimen geben. Im zweiten Schritt soll die subzelluläre Lokalisation der PS und deren Farbstoff-Konjugate mit Hilfe der PALM/STORM Technik visualisiert werden. Morphologische Veränderungen verschiedener Organellen, die mit photoschaltbaren Farbstoffen angefärbt werden, sollen in PS inkubierten Mikroorganismen in Echtzeit beobachtet und analysiert werden. Parallel dazu sollen die PDI induzierten morphologischen Änderungen mit einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) untersucht werden.Durch die Korrelation der Ergebnisse aus den spektroskopischen Untersuchungen, der TEM und PALM/STORM soll es möglich werden, die Bedeutung der chemisch physikalischen Eigenschaften verschiedener PS-Molekülstrukturen für die Effektivität der Abtötung von Mikroorganismen zu ergründen. Damit entsteht die notwendige wissenschaftliche Basis für eine Weiterentwicklung und Optimierung der photodynamischen Inaktivierung von Mikroorganismen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen