Eine multiparametrische und simultane Studie des Energiemetabolismus, der Sauerstoffkonzentration und des intrazellulären pH durch metabolisches FLIM und PLIM neuer phosphoreszierender Iridiumkomplexe (SIMOPI)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Stoffwechselstörungen können sich erheblich auf den zellulären pH-Wert und/oder die Sauerstoffkonzentration auswirken. Glykolytische Stoffwechselwege, umgekehrter pH-Gradient und hypoxischer Status sind dabei oft korreliert. Im Rahmen dieses Projektes wurde eine Studie durchgeführt, die den Einfluss der Sauerstoffversorgung der Zellen auf die Veränderung des Energiestoffwechsels zeigte, sowie des Auftretens von abnormalem zellulärem saurem oder alkalischem Stress. Das Projekt wurde in Zusammenarbeit der Universitäten Ulm und St. Petersburg durchgeführt. In normalen Zellen und Krebszellen sollte der Zusammenhang zwischen mitochondrialem Energiestoffwechsel, dem intrazellulären und mitochondrialen pH-Wert und dem Sauerstoffgehalt mit Hilfe der Fluoreszenz- und Phosphoreszenz-Abklingzeit, untersucht werden. Der Einfluss aerober und hypoxischer Mikroumgebungen wurde mit phosphoreszierenden Sensoren untersucht, deren Phosphoreszenz- Abklingzeit entweder sauerstoff- oder wasserstoffionenempfindlich war. Als Sensoren wurden neue Komplexe auf Basis von Ir(III) verwendet. Die Komplexe wurden von der Gruppe in St. Petersburg synthetisiert. Außerdem wurden, von Daniela dos Santos synthetisierte Derivate von Indirubin verwendet, die eine sauerstoffabhängige verzögerte Fluoreszenzlebensdauer aufwiesen. Gleichzeitig wurde der Energiestoffwechsel durch FLIM („fluorescence lifetime imaging“) von metabolischen Coenzymen wie NADH und FAD detektiert. Die Ulmer Forschungsgruppe, die über umfangreiche Kenntnisse zu FLIM/PLIM-Techniken, zum Energiestoffwechsel und der damit verbundenen möglichen Veränderungen des pH-Werts und der Sauerstoffkonzentration verfügte, entwickelte neue Algorithmen zur Unterscheidung von metabolischen Mustern. FLIM von FAD und FMN wurde als neues Maß eingeführt sowie der Phasor-Algorithmus zur Zellsegmentierung. Die Forschungsgruppe in St. Petersburg, die Erfahrung in der Synthese und Anwendung neuartiger phosphoreszierender Übergangsmetallkomplexe hatte, lieferte Moleküle auf Basis von Ir(III). Metabolische Muster wurden in normalen und in Tumorzellen in Abhängigkeit der Sauerstoffkonzentration untersucht. Außerdem wurde NADH FLIM und PLIM pH-abhängiger Iridiumsensoren simultan detektiert. Zur Zwei-Photonen-Anregung wurde ein Femtosekunden gepulster Laser verwendet, die Fluoreszenz-/Phosphoreszenz-Bildgebung wurde mit TCSPC-Techniken durchgeführt. Die gleichzeitige FLIM/PLIM-Detektion war aufgrund einer einzigartigen technischen Verbesserung unseres Systems möglich, die eine zeitliche Modulation des gepulsten Laserstrahls zuließ. Durch unser Projekt konnten wir einen eindeutigen Zusammenhang zwischen Energiestoffwechsel, Sauerstoffkonzentration und intrazellulärem pH-Wert nachweisen. Die Segmentierung metabolischer Muster ermöglichte eine Korrelation zwischen intrazellulären metabolischen Energiezuständen und der pH/Sauerstoff-Verteilung, wodurch unterschiedliche Mikroumgebungen zwischen Tumor und normalen Zellen sichtbar wurden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Functional Hybrid Materials for Phototheranostic Applications: From Organic to Inorganic Nanostructure. PhD Thesis: Presented to the University of Ulm
Nilanjon Naskar
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Bromine indirubin FLIM/PLIM sensors to measure oxygen in normoxic and hypoxic PDT conditions. Photodiagnosis and Photodynamic Therapy, 45, 103964.
dos Santos, D.N.S.; Naskar, N.; Delgado-Pinar, E.; Reess, K.; Seixas de Melo, J.S. & Rueck, A.
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Metabolic FLIM and oxygen PLIM/dFLIM in translational research. Multiphoton Microscopy in the Biomedical Sciences XXIV, 39. SPIE.
Rueck, Angelika C.; Wieland, Johannes; Reess, Kirsten; dos Santos, Daniela & Naskar, Nilanjon
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Metabolic imaging with FLIM/PLIM indirubin derivatives: an ultrafast window into cellular metabolism and oxygen consumption. Multiphoton Microscopy in the Biomedical Sciences XXIV, 40. SPIE.
N. S. dos Santos, Daniela; Naskar, Nilanjon; Reess, Kirsten; Delgado-Pinar, Estefanía; Seixas de Melo, João Sérgio & Rueck, Angelika
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PhD Thesis: Presented to the University of Coimbra on the 20th of November 2024 Title: „Unveiling the excited state deactivation mechanisms of indirubin and its role in metabolic and oxygen imaging in living cells”
Daniela Nobre Sarmento dos Santos
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Advanced metabolic FLIM/PLIM to investigate metabolic pattern developments in various disorders and treatments. Multiphoton Microscopy in the Biomedical Sciences XXV, 13. SPIE.
Rueck, Angelika C.; Wieland, Johannes; Reess, Kirsten; von Einem, Bjorn & dos Santos, Daniela
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Beyond the microscope: targeting metabolic regions through FLIM algorithms and phasor pattern segmentation. Multiphoton Microscopy in the Biomedical Sciences XXV, 38. SPIE.
N. S. dos Santos, Daniela; Werner, Katharina; Reess, Kirsten; Wieland, Johannes & Rueck, Angelika C.
