Zielgerichtete und nicht zielgerichtete Metabolomik mittels NMR-Spektroskopie

Die Kernspin-Magnetresonanzspektroskopie (NMR) ist eine hochinformative Analysemethode, die sich insbesondere für Metabolomstudien eignet: Mit ihr lässt sich eine Vielzahl unterschiedlicher Molekülarten bestimmen, und sie kann sowohl für zielgerichtete Ansätze (targeted metabolomics) als auch für nicht zielgerichtete Ansätze (non-targeted metabolomics) verwendet werden. Die Arbeitsgruppe Grenzflächenprozesse entwickelt NMR-Methoden für beide Ansätze: Gezielte Analysen von festgelegten Metaboliten-Sets können etwa zur Frühdiagnose von Krankheiten oder zur Überwachung von Therapieerfolgen nützlich sein, während nicht gerichtete Analysen bei der Untersuchung biochemischer Netzwerke und unbekannter Stoffwechselwege Anwendung finden.

So entwickelt die Gruppe zum Beispiel neue NMR-Probenköpfe, unter anderem zur Untersuchung von massen- und volumenlimitierten Proben wie etwa minimalen Organmodellen, die genau die Funktion imitieren, die für eine Anwendung benötigt wird. Ein Beispiel für ein solches Modell sind so genannte Sphäroide, kugelähnliche Gebilde, anhand derer man unter anderem Transportprozesse untersuchen kann. Ein Forschungsschwerpunkt ist dabei die nicht zielgerichtete Analyse von Stoffwechselvorgängen in lebenden Zellkulturmodellen, mit deren Hilfe zum Beispiel die Reaktion der Zellen auf toxische oder pharmakologische Einflüsse getestet werden kann. Dafür hat die Gruppe einen Mikrochip entwickelt, in dem die Zellen mit lebenswichtigen Nährstoffen versorgt und so über einen längeren Zeitraum untersucht werden können.

Zudem forscht die Arbeitsgruppe in Zusammenarbeit mit dem Leibniz-Institut für Arbeitsforschung (IfADo) in Dortmund an einer Möglichkeit, verschiedene Brustkrebstypen mittels Mikrostreifen-NMR  zu unterscheiden. Das langfristige Ziel der Arbeiten ist eine diagnostische Methode, mit der anhand einer Gewebeprobe Krebserkrankungen künftig besser typisiert und ihre Behandlung besser auf die einzelnen Patienten angepasst werden kann. Das Verfahren, das zielgerichtet nach bestimmten Krankheitsmarkern sucht, beruht auf der Magic-Angle-Spinning-NMR (MAS), die jedoch für den routinemäßigen Einsatz in der Klinik zu teuer und aufwendig ist. Daher will die Gruppe ein Gerät entwickeln, das kostengünstiger und leichter zu handhaben ist: Die für MAS typische Rotation der Probe soll durch schnelle Umkehrungen des Magnetfeldes simuliert werden, und die Probe soll direkt ohne weitere Aufbereitung in der Biopsienadel in die Probenkammer gebracht werden.

Darüber hinaus entwickelt die Arbeitsgruppe Grenzflächenprozesse miniaturisierte NMR-Systeme, die auch mobil eingesetzt werden können, um bereits bekannte Stoffe in Proben nachzuweisen – etwa in der Point-of-Care-Diagnostik oder auch bei Qualitäts- und Sicherheitskontrollen.