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Projekt
Entwicklung von vivo NMR-Techniken zur Untersuchung der Auswirkung von Ozeanversauerung und -erwärmung auf die Neurophysiologie Antarktischer Fische
Antragsteller
Dr. Christian Bock; Privatdozent Dr. Wolfgang Dreher
Fachliche Zuordnung
Physik, Chemie und Biologie des Meeres
Förderung
Förderung von 2013 bis 2019
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 237813768
Die dramatischsten Auswirkungen der Ozeanversauerung und -erwärmung werden für die Polarregionen erwartet, d.h. polare Organismen werden durch die erwarteten Temperatur- und CO2-Änderungen besonders beeinflusst (sowohl antarktische als auch arktische Arten). Für tropische Fische konnten neurologische Störungen unter erhöhten CO2-Konzentrationen, wie sie Szenarien für den Klimawandel für 2100 prognostizieren, gezeigt werden, obwohl Fische über eine ausgeprägte Säure-Base-Regulation verfügen. Unterschiedliche neurologische Fehlfunktionen konnten bei Fischen nachgewiesen werden. Deren Ursache wird auf den Einfluss von CO2 auf die Funktion des Neurotransmitter GABA zurückgeführt. Die Ozeanerwärmung könnte diese Veränderungen noch verstärken. So konnte in der antarktischen Aalmutter eine verminderte Säure-Base-Regulation des intrazellulären pH-Wertes bereits ab einer Temperatur von 4 °C nachgewiesen werden. Polarfische können vergleichbare oder stärkere neurologische Veränderungen unter Ozeanversauerung und -erwärmung zeigen. Die zugrunde liegenden Mechanismen sind bisher jedoch noch weitgehend ungeklärt. In-vivo-NMR-Techniken, insbesondere die lokalisierte 31P- und 1H-NMR-Spektroskopie werden bereits ausführlich für die Charakterisierung des metabolischen Status oder metabolischer Veränderungen im Gehirn von Tieren und Menschen genutzt, einschließlich der Beobachtung von Neurotransmittern und der Säure-Base-Regulation. Diese Messungen werden jedoch durch die inhärent geringe Empfindlichkeit begrenzt, die wiederum die räumliche und zeitliche Auflösung beschränkt. Im derzeitigen Forschungsprojekt nutzen wir den neuen Ansatz des Chemical Shift Saturation Transfer (CEST) für die pH- und indirekte Metaboliten-Bildgebung. CEST MR-Bildgebung (MRI) erlaubt Messungen mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung. Die gesättigte longitudinale Magnetisierung der austauschbaren Protonen von Metaboliten wird zum Wasser transferiert und akkumuliert. Wir konnten zeigen, dass CEST-MRI auch bei polaren Temperaturen möglich ist. Die Spezifität von CEST-MRI kann durch die Nutzung einer geeigneten Vorsättigung angepasst werden, die die inverse Bildgebung wichtiger Metabolite und pH-Bildgebung erlaubt. Neben CEST-MRI, das auf Glutamat (GluCEST) basiert, planen wir die Entwicklung von TauCEST, das auf Taurin beruht. TauCEST würde eine neue Option für CEST-MRI darstellen, die bei niedrigen Temperaturen anwendbar ist. Die Nutzung des neuen 9.4T-NMR-Systems, welches vorrausichtlich ab Januar 2016 am AWI einsatzbereit sein wird, wird die Qualität der in-vivo-Messungen deutlich steigern. Sowohl CEST-MRI als auch 1H- und 31P-NMR-Spektroskopie wird für Untersuchungen metabolischer Veränderungen sowie der Säure-Base-Regulation im Gehirn antarktischer Fische unter Zukunftsszenarien der Ozeanversauerung und -erwärmung genutzt werden. Diese Studien sollen das Verständnis für die zugrunde liegenden Mechanismen der neurologischen Störungen von Polarfischen verbessern.
DFG-Verfahren
Infrastruktur-Schwerpunktprogramme
