Enzyme spielen eine entscheidende Rolle bei vielen physiologischen Funktionen. Eine Reihe abnormer Enzymaktivitäten steht mit pathologischen Zuständen in Zusammenhang. Die Enzymaktivität variiert nicht nur zwischen einzelnen Organen, sondern auch innerhalb verschiedener Organbereiche. Entsprechend informativ wäre eine präzise Bildgebung der Enzymaktivität in Geweben mit detaillierter räumlicher Auflösung – doch mangelt es an geeigneten Techniken.
3D-Bildgebung von Enzymaktivitäten
Die Bildgebung von Enzymaktivitäten erfolgt meist mittels Fluoreszenzsonden. Fluoreszenzlicht durchdringt Gewebe allerdings kaum, sodass sich größere Proben wie ganze Organe nicht in 3D kartieren lassen. Abhilfe könnte die sog. Klärung schaffen, ein traditionelles Verfahren, bei dem Gewebeproben mit verschiedenen Lösungsmitteln und Reagenzien unter Erhalt ihrer Strukturen hochtransparent gemacht werden. Während der notwendigen intensiven Waschschritte werden kleine Moleküle wie fluoreszierende Sonden jedoch aus dem Gewebe ausgewaschen.
Das Team um Shinsuke Sando von der Universität Tokio hat jetzt eine neue Methode entwickelt, um die Aktivität eines Enzyms hochaufgelöst in 3D in kompletten, geklärten Organen darzustellen. Als Beispiel wählten sie Aminopeptidase N (APN), ein peptidspaltendes Enzym, das eine wichtige Rolle bei verschiedenen physiologischen Prozessen, aber auch der Entwicklung von Tumoren spielt. Erfolgsgeheimnis war das speziell entwickelte Sondenmolekül. Es besteht aus einem Fluoreszenzfarbstoff (BODIPY), einer „Verankerungseinheit“ und einer Aminosäuregruppe (Alanin).
APN-Aktivität in Nieren kartiert
Wo keine aktive APN vorhanden ist, bleibt die Sonde unverändert und wird bei der Gewebeklärung ausgespült. In Bereichen des Organs mit aktiver APN spaltet das Enzym die Aminosäuregruppe ab und aktiviert so die Verankerungseinheit. Diese greift Proteine in ihrer Nähe an und verankert den fluoreszierenden Baustein auf diese Weise fest in der umgebenden Gewebestruktur, sodass er nicht ausgewaschen wird.
So gelang dem Team, die APN-Aktivität mit Fluoreszenzmikroskopie in kompletten Mäusenieren erstmals hochaufgelöst in 3D zu kartieren. Die Forschenden konnten sogar Unterschiede der APN-Aktivitäten in einzelnen tubulären Strukturen der Nieren sichtbar machen.
Effekte von APN-Hemmstoffen
Das Team untersuchte außerdem die Effekte von APN-Hemmstoffen. So ergaben sich unterschiedliche Muster der durch den experimentellen Antitumorwirkstoff Actinonin verursachten Fluoreszenzabschwächung gegenüber einem anderen APN-Inhibitor, die auf Unterschiede in der Absorption, dem Metabolismus und/oder der Pharmakokinetik zurückzuführen sein könnten.
Diese neue Art der Bildgebung eröffnet damit eine unvoreingenommene Bewertungsmethode für die Arzneimittelentwicklung, die auch kleine Phänomene, selbst auf der zellulären Ebene innerhalb ganzer Organe, nicht übersieht.
Quelle: Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.
Originalpublikation: Bo Yi et al.; Imaging Heterogeneous Patterns of Aminopeptidase N Activity in Hierarchical Tissue Structures Through High-Resolution Whole-Organ 3D Mapping; Angewandte Chemie, März 2025, DOI: 10.1002/ange.202504668
