Göttingen. Wissenschaftlern der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) sowie des Max-Planck-Instituts (MPI) für biophysikalische Chemie ist es gelungen, die Signalübertragung an Synapsen sichtbar zu machen. Dabei kombinierten sie die optische Nanoskopie mit der „Patch-Clamp Methode“.

„Physiologische Untersuchungen mittels der optischen Nanoskopie helfen, die kleinsten Funktionseinheiten unseres Körpers aufzuklären“, erklärt Dr. Nicolai Urban vom MPI für biophysikalische Chemie. Die elementaren Prozesse des Lebens finden auf sehr kleinem Raum im Bereich zwischen Millionstel (Mikro) und Milliardstel (Nano) Metern statt. Das zeigt sich auch bei Signalübertragung an Synapsen, den Kontaktstellen, über die Nervenzellen miteinander „sprechen“.

Optische Nanoskopie im Einsatz

Um diese Signale beobachten zu können, haben die Göttingen erstmals die von Chemie-Nobelpreisträger Prof. Stefan Hell und Kollegen entwickelte optische Nanoskopie für höchstauflösende Messungen der lokalen Kalziumkonzentration in Synapsen nutzbar gemacht. Wann bei der Übertragung von Signalen an Synapsen Botenstoffe, wie zum Beispiel Glutamat, aus einzelnen „Botenstoff-Containern“, den synaptischen Vesikeln, freigesetzt werden, wird durch Kalziumionen gesteuert.

Diese strömen durch winzige Kanäle, die nur wenige Nanometer von den Vesikeln entfernt liegen, in die Zelle ein. Bislang konnten diese Signale nicht direkt vermessen werden, weil ihre Ausdehnung unterhalb der Auflösungsgrenze konventioneller Lichtmikroskopie liegt. Hier hilft die optische Nanoskopie weiter.

In einem weiteren Schritt wurde die Nanoskopie mit der von den Medizin-Nobelpreisträgern Prof. Erwin Neher und Prof. Bert Sakmann in Göttingen entwickelten „Patch-Clamp Methode“ kombiniert. Diese Methode macht es jetzt möglich, die Ausbreitung des Kalziumsignals in der Zelle mit bisher unerreichter Genauigkeit sichtbar zu machen. Zudem kann nun auch die Konzentration von Kalziumionen direkt am Ort des Eintritts in die Zelle gemessen werden.

Erste Anwendung im Innenohr

Die erste Anwendung dieser Methode erfolgte in den sensorischen Haarzellen des Innenohres. Hier bilden Kalziumkanäle kleine Ansammlungen an den Synapsen. Und hier beobachteten die Göttinger Wissenschaftler die Kalziumsignale. Mit Hilfe der zwei neuartigen optischen Verfahren entdeckten sie, dass die Zahl der Kalziumkanäle in den Clustern stark schwankt. Die Wissenschaftler um Dr. Jakob Neef vom Institut für Auditorische Neurowissenschaften der UMG folgerten daraus: Die Haarzellen bilden verschieden „starke“ Synapsen aus, um auf diese Weise eine größere Bandbreite an Information an den Hörnerv übertragen zu können.

Prof. Tobias Moser, Direktor des Instituts für Auditorische Neurowissenschaften und Forschungsgruppenleiter am MPI für biophysikalische Chemie, sieht in dem Ergebnis einen Durchbruch bei der Erforschung der Signalwege: „Kalzium ist eines der wichtigsten Signale in Zellen. Der technische Durchbruch, dass wir jetzt Kalziumsignale mit der Präzision von Nanometern und Millisekunden quantifizieren können, eröffnet völlig neue Möglichkeiten für die Erforschung der Zellen von Herz und Nervensystem.“

Mit diesem neuen optischen Verfahren können die Wissenschaftler nun den auf der Nanometer-Skala stattfindenden zellulären Prozessen in einem lebenden Gewebe regel-recht bei der Arbeit zuschauen. So sollen sie etwa auch eingesetzt werden, um Kalzium-Nanodomänen in Herzmuskelzellen zu entschlüsseln.

Von UMG