Anschlussprojekte | Sonderprojekte

Förderbeginn 01.07.2017

Anwendung bioluminiszenter menschlicher mesenchymaler Stammzellen in der

Prof. Dr. Vasilis Ntziachristos
Technische Universität München
Lehrstuhl für Biologische Bildgebung

Dr. Andre Stiel
Technische Universität München
Lehrstuhl für Biologische Bildgebung

Dr. Jesse V. Jokerst
University of California, San Diego
School of Engineering


Die begrenzte Wirksamkeit der Stammzelltherapie zur Bekämpfung von Herzkrankheiten ist hauptsächlich auf die geringe Überlebensrate der implantierten Zellen, verursacht durch Ischämie oder Endzündungen, zurückzuführen. Als eine Gegenmaßnahme können Insulinähnliche Wachstumsfaktoren verwendet werden, welche die Stammzellproliferation erhöhen. Ein Problem bei der Anwendung solcher Substanzen stellt jedoch ihre geringe Lebensdauer dar. Als eine Lösung dieses Problems könnten sich Nanopartikel erweisen, die als Reservoir für die Wachstumsfaktoren fungieren. Im Rahmen der Förderung werden wir vielversprechende Ergebnisse aus der Zellkultur in die in vivo Applikation übertragen. Um die Überlebensrate der implantierten Stammzellen nach Behandlung mit Nanopartikeln mit Wachstumsfaktoren-Reservoir quantifizieren zu können, werden genetisch veränderte bioluminiszente Stammzellen Anwendung finden.

Abschlussbericht
Analytische photoakustische Spektroskopie zur gezielten Optimierung photoakustischer Kontrastmittel

Photoakustische Bildgebung (PAI) vereint optischen Kontrast mit der Eindringtiefe und zeitlicher sowie räumlicher Auflösung von Ultraschall. In der biomedizinischen PAI ist das endogene Blut-Hämoglobin eines der meistgenutzten Kontrastmittel. Darüber hinaus hat in letzter Zeit das Interesse an exogenen, spezifischen Markern zugenommen, zum Beispiel: organische Farbstoffe, Nanopartikel oder Chromoproteine. Der Vorteil dieser Kontrastmittel liegt unter anderem darin, dass sie selektiv auf (patho-)physiologische Veränderungen reagieren können. Das bedeutet, dass biologische Veränderungen in ihrer Umgebung zu einer Veränderung des Spektrums führen, welche wiederum mit PAI detektiert werden kann.

Die Gruppe von Dr. Jesse Jokerst hat eine Reihe solcher Anwendungen vorgestellt, u.a. die Quantifizierung von Heparin-Aktivität im Blut unter Verwendung von Methylenblau [1] und die Detektion von oxidativem Stress mittels Cyanidfarbstoffen [2] sowie Nanopartikeln auf der Basis von plasmonischen Materialien [3]. Diese Ansätze haben bereits sichtbare Erfolge im Bereich der in vivo Bildgebung gezeigt. Nichtsdestotrotz ist es notwendig, diese Kontrastmittel weiter zu verbessern um eine Nutzung in der klinischen Praxis zu ermöglichen. Dafür ist es entscheidend, die Photophysik im Kontext der PA besser zu verstehen. In diesem Kontext hat die Gruppe von Dr. Andre Stiel ein analytisches PA-Spektometer entwickelt, welches präzise Photoakustik-, Absorptions- und Fluoreszenz- Spektren gleichzeitig aufnehmen kann [4], [5].

In den vom BaCaTeC-Programm geförderten Besuchen und Diskussionen haben wir einen Fahrplan entwickelt, wie auf der Basis solcher spektroskopischen Daten aus der Stiel Gruppe die funktionalen Kontrastmittel aus der Jokerst Gruppe weiterentwickelt werden können. Spektren der Kontrastmittel aus den obigen Studien wurden bereits gemessen und zeigen vielversprechende Ergebnisse. Diese Arbeiten sind entscheidend, um eine neue Generation von funktionalen PA Kontrastmitteln zu entwickeln, welche nicht nur den Lebenswissenschaften zugutekommen, sondern auch in der klinischen Praxis eingesetzt werden können. Z.B. kann die genauere Messung von reaktiven Sauerstoffspezies, wie sie bei Infektionen entstehen, die Diagnostik verbessern und für gezieltere Therapien eingesetzt werden.

[1] J. Wang et al., “A Mechanistic Investigation of Methylene Blue and Heparin Interactions and Their Photoacoustic Enhancement,” Bioconjug. Chem., vol. 29, no. 11, pp. 3768–3775, 2018.
[2] A. Hariri, E. Zhao, A. S. Jeevarathinam, J. Lemaster, J. Zhang, and J. V Jokerst, “Molecular imaging of oxidative stress using an LED-based photoacoustic imaging system.,” Sci. Rep., vol. 9, no. 1, p. 11378, Aug. 2019.
[3] T. Kim, Q. Zhang, J. Li, L. Zhang, and J. V. Jokerst, “A Gold/Silver Hybrid Nanoparticle for Treatment and Photoacoustic Imaging of Bacterial Infection,” ACS Nano, vol. 12, no. 6, pp. 5615–5625, 2018.
[4] P. Vetschera, kanuj Mishra, J.-P. Fuenzalida Werner, A. Chmyrov, V. Ntziachristos, and A. C. Stiel, “Characterization of reversibly switchable fluorescent proteins (rsFPs) in optoacoustic imaging,” Anal. Chem., Aug. 2018.
[5] J. P. Fuenzalida Werner et al., “Structure-Based Mutagenesis of Phycobiliprotein smURFP for Optoacoustic Imaging,” ACS Chem. Biol., 2019.