Licht ins Dunkel der Infektionskrankheiten 1: Infrarotspektroskopie zur Malariadiagnose

Eine ganze Reihe bekannter Wissenschaftler haben sich ihren Namen in der Erforschung des Lichts gemacht. Unter ihnen Christiaan Hygens, welcher das Licht als Welle beschrieb und Isaac Newton der dem Licht einen Teilchencharakter zuschrieb. Auch Albert Einstein war fasziniert von Licht. Er beschrieb es zugleich als Welle und als Teilchen und begeisterte sich dafür, wie Energie vom Licht auf Materie übergehen kann. Diese Theorie baute auf den Arbeiten von Max Planck auf. Und genau diesen Effekt nutzen wir auch in der optischen Spektroskopie. Hier untersuchen wir nämlich, wie stark das Licht abgeschwächt wird, wenn es Energie an die Materie abgibt. Diese Abschwächung sagt uns eine Menge über die Substanzen, die wir untersuchen, zum Beispiel über deren chemische Komposition.

Infrarotspektroskopie als Diagnosemethode

In der Infrarotspektroskopie zum Beispiel, werden Substanzen untersucht indem Licht des infraroten Wellenlängenbereichs auf die Proben eingestrahlt wird. Dieses wird von den in der Probe vorhandenen Molekülen absorbiert. Die Stärke der Absorption ist abhängig von der Wellenlänge des eingestrahlten Lichts. So erhält man für jede Probe ein individuelles, wellenlängenabhängiges Absorptionsprofil (Spektrum).

Ein Blutprobe die mit ATR-FTIR Spektroskopie untersucht wird

Ich selbst untersuche im Moment Blutproben, die mit Parasiten infiziert sind mit Infrarotspektroskopie und vergleiche sie mit uninfizierten Blutproben. Die chemische Komposition von Blut besteht aus biologischen Molekülen wie Fetten, Kohlehydraten und Proteinen. Diese erzeugen ein charakteristisches Spektrum im infraroten Bereich. Wenn nun Parasiten im Blut vorhanden sind, dann verändert sich die Zusammensetzung der Blutprobe. Das Verhältnis der Proteine und Fette verändert sich und es können parasitäre DNA und vom Parasiten produzierte Substanzen im Blut zu finden sein. Das haben unter anderem meine Kollegen von der Monash University in Melbourne herausgefunden, schon ein Weile bevor ich zu ihnen gestoßen bin.

Der Lebenszyklus von Plasmodium

Malariaparasiten verbringen im Laufe ihres Lebenszyklus (Das wundersame Leben des Parasiten Plasmodium) eine Lebensphase im roten Blutkörperchen. Daher haben meine Kollegen im Labor gezüchtete Malariaparasiten mit uninfizierten roten Blutkörperchen verglichen und festgestellt, dass sie auf diese Art und Weise Malariaparasiten im Blut nachweisen können.(1)

 

Neue Antworten, neue Fragen…

Doch wie immer wirft jede beantwortete Frage eine Reihe weiterer spannender Fragen auf. Meine Kollegen haben die Blutkörperchen zum Beispiel mit Methanol „fixiert“, wodurch die Struktur der Blutkörperchen und der Parasiten auch nach dem Absterben erhalten bleibt. Ich widme mich nun unter anderem der Frage, ob es auch andere Möglichkeiten gibt die Proben vorzubereiten, ohne dass Methanol verwendet werden muss. Denn bekanntermaßen tritt Malaria ja in tropischen Regionen auf und dort würde Methanol recht schnell verdunsten, wenn es nicht fachgerecht gelagert wird. Und das wiederum setzt doch eine bestimmte Infrastruktur voraus…

Zudem habe ich mich in einer Feldstudie in Laos (einen Bericht darüber gibt es hier zu lesen) der Frage gewidmet, ob wir asymptomatische Träger der Malaria, also Patienten mit einer nur sehr geringen Parasitenzahl im Körper, detektieren können.

Unsere Ziele

Unsere Gruppe forscht an der spektroskopiebasierten Diagnose von parasitären Infektionskrankheiten, wie Malaria, aber auch bakterieller Infektionen wie Sepsis und Viruserkrankungen wie das Denguefieber. Besonders verlockend an dieser Methode ist ihre unkomplizierte Anwendung, wenn sie mal etabliert ist. Die Probe wird auf das Spektroskopiegerät gegeben und dieses spuckt einem das Spektrum aus. Bis dahin haben wir allerdings noch ein paar Schritte zu gehen. Ein bisschen schwieriger ist auch die Datenauswertung. Denn die Änderungen im Spektrum durch die kleinen Mikroorganismen sind nur sehr gering. Doch zum Glück sind sie so charakteristisch, dass wir sie mit Hilfe mathematischer Methoden aus den Spektren extrahieren können. Und zu einfach mögen wir Wissenschaftler es ja schließlich auch nicht haben…

(1) Khoshmanesh, A. et al. Detection and quantification of early-stage malaria         parasites in laboratory infected erythrocytes by attenuated total reflectance infrared spectroscopy and multivariate analysis Anal. Chem. 86 4379–4386 (2014)

Veröffentlicht von

Dr. Anja Rüther testet an der Monash University in Melbourne spektroskopische Methoden zur Diagnose von Infektionskrankheiten, insbesondere Malaria. Ihre Forschung bringt sie in die entlegensten Ecken Südostasiens, wo sie Proben von Malariapatienten mit Infrarotspektroskopie untersucht. Nach dem Pharmaziestudium in Berlin und Innsbruck hat sie in pharmazeutischer Chemie in Freiburg promoviert. Während ihrer Promotion hat sie chiroptische Spektroskopiemethoden zur Untersuchung dynamischer Systeme verwendet.

7 Kommentare Schreibe einen Kommentar

    • Die Trichloressigsäure und der Glutardialdehyd haben sehr hohe Siedepunkte, und verdunsten deshalb sehr langsam.
      Der Teil des Glutardialdehyds, der an die Proteine gebunden ist, verdunstet praktisch nicht.

  1. Eine native Blutprobe unters ATR-FTIR Spektroskop legen, Daten aquirieren, (automatisch) analysieren und dann mit grosser Sicherheit sagen: Malaria ja oder nein. Wirklich verlockend – ausser das AFTR-FTIR-Spektroskop wäre ein äusserst heikles und teures Gerät.
    Verglichen werde müsste dieses Verfahren mit dem Plasmodien-Nachweis in der Blutprobe und mit Schnelltests auf Malaria.
    Ein Nachteil der AFTR-FTIR-Spektroskopie ist wohl, dass kein Artnachweis (welche Art von Plasmodium, wichtig für Therapie) möglich ist. Sehr gut wäre aber, wenn ein begründeter Malariaverdacht trotz fehlenden Plasmodien in den Blutkörperchen möglich würde.

    • Es gibt schon FTIR-Handgeräte (z.B. Nexus TruDefender, Diamant-ATR) und auch einfache IR-Geräte für das MobilePhone.
      Ein Vorteil vom ATR ist, dass kein Aufwand für Messung/Reinigung notwendig ist.
      D.h. solche Geräte amortisieren sich rasch, da die Betriebskosten gering sind.

    • Vielen Dank für Ihren Input! Es freut mich immer zu lesen, wenn sich jemand Gedanken macht über das was ich so schreibe.

      Es stimmt, dass ein ATR-FTIR Gerät nicht ganz umsonst ist, aber dadurch dass die laufenden Kosten für eine Diagnose dann sehr gering wären, würde es sich auszahlen.

      Wir untersuchen zum einen im Labor gezüchtete Parasiten spektroskopisch, welche wir parallel mikroskopisch und/oder mit polymeraser Kettenreaktion (PCR) nachweisen.
      Blutproben von Malariapatienten werden parallel zur Spektroskopie von einem medizinischen Team mit PCR, Mikroskopie und Malariaschnelltests untersucht. So können wir am Ende alle Methoden miteinander vergleichen und unsere Spektroskopie-basierte Methode etablieren.

      Der Nachweis der Plasmodiumspezies ist eine sehr interessante Fragestellung. Was meine Kollegen zeigen konnten, ist das sie unterschiedliche Lebensstadien von Plasmodium falciparum aufgrund der unterschiedlichen chemischen Komposition spektroskopisch auseinander halten konnten. (Khoshmanesh et al. 2014)

  2. @Rüther: Ich hatte auf verunreinigter Cellulose die Verunreinigung per FT-IR zu finden. Ich arbeitete dazu mit 200mgKBr/2mgProbe-Presslingen. Als Background (BG, Nullwert) stellte ich mir eine Reihe von 9 Presslingen aus KBr und 0.2-1,8mg Cellulose her. (Diese Presslinge wurden über Trockenmittel aufbewahrt, monatelang immer wieder verwendbar). Die Probe wurde jeweils gegen unterschiedliche BGs gemessen.

    Mit dieser Arbeitsweise konnte die Verunreinigung meist schnell identifiziert werden – da die störenden Celluloseanteile über den BG automatisch bei der Berechnung abgezogen wurden.

    Eventuell wäre eine solche Arbeitsweise auch für Sie von Interesse – um durch Auswahl eines geeigneten BGs die Unterschiede (gesund/krank) besser erkennen zu können.

    • Man könnte eine Reihe von Vergleichsspektren digital speichern, und sie dann im Computer von den aktuell gemessenen Spektren subtrahieren.
      Dabei könnte man auch die Intensitäts-Achse der Spektren mathematisch dehnen oder stauchen, um Konzentrations-Variationen zu kompensieren.

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