Spurenmetalle sind für das Wachstum aller lebenden Organismen von entscheidender Bedeutung. Das Verständnis der Rolle dieser Spurenmetalle für den Stoffwechsel ist für die Aufrechterhaltung eines stabilen Zustands des Organismus von wesentlicher Bedeutung. Darüber hinaus ist der Mensch aufgrund verschiedener Arten der Umweltverschmutzung ständig verschiedenen schädlichen Schwermetallen ausgesetzt. Diese Aspekte zusammengenommen haben zur Erforschung und Entwicklung von Analysetechniken geführt, mit deren Hilfe der Gehalt an diesen Spurenmetallen in unseren Zellen ermittelt werden kann.

Die Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS) ist eine Analysetechnik, die für die Analyse der Elementzusammensetzung in verschiedenen Proben, einschließlich biologischer Proben, eingesetzt wird. In jüngster Zeit ist die Einzelzell-ICP-MS-Technik (scICP-MS) in der Medizin und Biologie für die Analyse von einzelnen lebenden Zellen in Bakterien, Pilzen, Mikroorganismen, Pflanzen und Säugetieren weit verbreitet. Das Probeneinführungssystem von scICP-MS besteht aus einem herkömmlichen pneumatischen Vernebler und einer Sprühkammer mit Gesamtverbrauch. Ein pneumatischer Zerstäuber wandelt die Flüssigkeit der Probe (Zellsuspension) in einen Nebel um.

Obwohl die Transporteffizienz der herkömmlichen scICP-MS-Analyse unter Verwendung eines Zerstäubers bei Hefezellen 10 % erreicht, kann sie bei Säugetierzellen aufgrund ihrer Zerbrechlichkeit nicht verwendet werden. Es ist bekannt, dass die chemische Fixierung die Festigkeit von Säugetierzellen erhöht, aber sie beeinträchtigt den Elementgehalt stark, was zu einer Ungenauigkeit der Analyse führt. Daher muss ein Probeneinführungssystem entwickelt werden, das die Säugetierzellen nicht schädigt.

Zu diesem Zweck hat eine Forschergruppe aus Japan nun das Potenzial eines Mikrotröpfchengenerators (µDG) als Probeneinführungssystem für die effiziente und quantitative Elementaranalyse von Säugetierzellen nachgewiesen. Das Team, bestehend aus Assistenzprofessor Yu-ki Tanaka sowie Hinano Katayama, Risako Iida und Professor Yasumitsu Ogra von der Graduate School of Pharmaceutical Sciences der Universität Chiba in Japan, führte einen µDG in das Probeneinführungssystem eines ICP-MS ein und stellte fest, dass das System in der Lage war, die Elementaranalyse genau durchzuführen. Ihre Studie wurde am 2. Dezember 2024 in Band 40 des Journal of Analytical Atomic Spectrometry veröffentlicht. Dr. Tanaka führt weiter aus: „Bislang wurde scICP-MS auf Bakterien, Pilze, Pflanzenzellen und rote Blutkörperchen angewendet. Wir haben das Potenzial der scICP-MS-Technologie auf kultivierte Säugetierzellen ausgeweitet und eine robuste Analysetechnik zur Messung des Elementgehalts in kultivierten Säugetierzellen entwickelt.“

In der Studie verwendeten die Forscher zwei Probeneinführungssysteme für die Analyse von Partikeln und Zellproben. Das erste war das herkömmliche System mit einem konzentrischen Glaszerstäuber und einer Sprühkammer mit Gesamtverbrauch. Das andere System bestand aus einem µDG, das in ein T-förmiges Glasrohr eingeführt wurde, wobei ein Ende des Glasrohrs an eine Sprühkammer für den Gesamtverbrauch und das andere Ende an einen ICP-Brenner angeschlossen wurde.

Die Forscher stellten fest, dass die Zelltransporteffizienz durch den Einsatz von µDG drastisch anstieg. Außerdem schätzten sie den Gehalt an Magnesium, Eisen, Phosphor, Schwefel und Zink in den K562-Zellen (auch bekannt als K562-Zellen der menschlichen chronischen myeloischen Leukämie) und stellten fest, dass µDG die ursprüngliche Struktur der Zelle beibehält, im Gegensatz zum herkömmlichen System, das die Struktur der Zelle normalerweise verändert. Es eignet sich daher sehr gut für die Elementaranalyse von Einzelzellen, da es die Zellstruktur nicht beeinträchtigt, was zu einem hocheffizienten Nachweis der Zellen führt. „Unsere Ergebnisse zeigen das Potenzial von μDG als universelles Probeneinführungssystem in der scICP-MS“, erklärt Asst. Prof. Tanaka.

Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Größe der kultivierten K562-Zellen den durch die Vernebelung verursachten Scherstress beeinflusst, was zu Zellschäden führt. Eine Zunahme der Zellgröße verstärkt den Scherstress und führt zu erheblichen Schäden. Das µDG kann die Struktur der K562-Zellen erhalten, was zu einer hocheffizienten Erkennung und quantitativen Messung von Elementsignalen einzelner Zellen führt.

Das ICP-MS-Verfahren findet breite Anwendung in der Umweltüberwachung, Energie-, Pharma-, Lebensmittel- und Agrarindustrie sowie in der klinischen Forschung. „Eine vielversprechende gesellschaftliche Anwendung der scICP-MS-Technologie ist die Prognose und Diagnose von Krankheiten. Der Gesundheitszustand kann durch die Analyse der elementaren Zusammensetzung im Körper und sogar auf der Ebene einzelner Zellen bewertet werden. Blutzellproben, die sowohl von Patienten als auch von gesunden Personen leicht entnommen werden können, dienen als primäres Ziel für die Diagnostik und Prognose mit scICP-MS“, schließt Asst. Prof. Tanaka optimistisch.

Original paper: Quantitative elemental analysis of human leukemia K562 single cells by inductively coupled plasma mass spectrometry in combination with a microdroplet generator
Authors: Yu-ki Tanaka, Hinano Katayama, Risako Iida, and Yasumitsu Ogra
Affiliations: Graduate School of Pharmaceutical Sciences, Chiba University
Journal: Journal of Analytical Atomic Spectrometry
DOI: 10.1039/d4ja00364k

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_{Redaktion: X-Press Journalistenbürö GbR}

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