Um Veränderungen in einzelnen Organellen bei Behandlung und Krankheit in lebenden Zellen zu charakterisieren, werden oft Farbstoffe für die Fluoreszenz(lebensdauer)-Mikroskopie (FLIM) verwendet. Für Lysosomen, die sauren Abbaukompartimente eukaryotischer Zellen, existieren bereits eine Reihe von Markern, die jedoch noch zahlreiche Nachteile aufweisen. Wir konnten einen neuartigen, von der AG Peneva synthetisierten, Spektroskopische Charakterisierung von neuen Farbstoffen für die Lebendzellbildgebung Abb. 2: Fluoreszenzlebensdauer-(FLIM-)Bild vor und 2 Minuten nach Zugabe von 10 mM Ammoniumchlorid. Die durchschnittliche Fluoreszenzlebensdauer der Zellen im Bild ist im Balkendiagramm dargestellt. Abbildung modifiziert nach [5]. Optisch-spektroskopische Methoden zur Charakterisierung von Bakterien-Wirkstoff-Interaktionen Im Januar 2020 startete das Europäische Ausbildungsnetz „Imaging infections: integrated, multiscale visualization of infections and host response”. Ziel dieses Marie Sklodowska Curie Trainingsnetzwerks ist es, eine neue Generation von Spitzenforschern in modernsten Bildgebungs- und Datenanalysemethoden auszubilden. Dabei stehen molekulare Bildgebung, mehrskalige Visualisierung von Infektionen sowie der Wirtsreaktionen im Vordergrund, die helfen sollen, Infektionen und Verursacher zu erkennen und durch Bestimmung des Schweregrades die personalisierte Behandlung zu fördern. Die Uni Jena ist mit drei Promovierenden und vier PIs aus dem Institut für Physikalische Chemie an diesem vom Leibniz-Institut für Photonische Technologien koordinierten Trainingsnetz beteiligt. Marie Sklodowska Curie Europäisches Ausbildungsnetz IMAGE-IN: Imaging infections Abb. 3: Streudiagramme, in denen der normalisierte Summenscore gegen die Wahrscheinlichkeiten des logistischen Modells aufgetragen ist. Patientenisolate von E. coli können mit Hilfe des Models anhand ihrer Raman-Spektren mit hoher Genauigkeit korrekt als Antibiotikaempfindlich (S, orange) oder resistent (R, blau) erkannt werden. Die Nummern stellen die Bakterien-Stammnamen dar. Abbildung modifiziert nach [6]. In Zeiten steigender Antibiotika-Resistenzen werden schnelle Methoden zur korrekten Bestimmung der Antibiotikaempfindlichkeit dringend benötigt. In Arbeiten der vergangenen Jahre konnten wir zusammen mit der AG Popp zeigen, dass die Raman-Spektroskopie hierfür ein hohes Potential bietet. Aktuell konnte mit einer Raman-basierten, Bakterien-Stamm-unabhängigen, halbautomatischen Methode eine schnelle (<3 Stunden) Bestimmung der Antibiotika-Empfindlichkeit von bakteriellen Krankheitserregern, die aus klinischen Proben isoliert wurden, erreicht werden [6]. Dies konnte für zwei Escherichia coli-Laborstämme und 12 niedermolekularen Lysosomenmarker umfassend charakterisieren und seine Anwendung bei der Verfolgung von chemisch induzierten Veränderungen des lysosomalen pH-Werts in lebenden HeLa-Zellen durch ratiometrische und FLIMBildgebung nachweisen. [5] Tannert, A., et al. (2021): Lysosome-targeting pH indicator based on peri-fused naphthalene monoimide with superior stability for long term live cell imaging, Journal of Materials Chemistry B, 9, 112-124. klinische Isolate für die Leitsubstanzen von drei relevanten Antibiotikaklassen (Fluorchinolon Ciprofloxacin, Cephalosporin der dritten Generation Cefotaxim, Ureidopenicillin Piperacillin) gezeigt werden. In aktuellen Arbeiten wollen wir die Untersuchungen der Wirkstoff-Bakterien-Wechselwirkungen auch auf Bakteriophagen als „Antibiotikaersatz“ ausdehnen [7]. [6] Götz, T., et al. (2020): Automated and rapid identification of multidrug resistant Escherichia coli against the lead drugs of acylureidopenicillins, cephalosporins, and fluoroquinolones using specific Raman marker bands. J. Biophoton., 13:e202000149. DOI: 10.1002/jbio.202000149. [7] Pilát, Z., et al. (2020): Analysis of bacteriophage-host interaction by Raman tweezers. Anal. Chem. 92(18), 12304–12311. FORSCHUNG — 91
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