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Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik (ZEA)
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Bioimaging of Metals in Brain and Metallomics

BrainMet (Brainmet - Bioimaging of Metals in Brain and Metallomics) wurde als eine neuartige und leistungsfähige Zukunftstechnologie für die Demenzforschung am 9. Dezember 2009 ins Leben gerufen. Das analytische BrainMet Kompetenzzentrum am Forschungszentrum Jülich wurde mit der Expertise und Instrumentation von Thermo Scientific, mit den Kooperationspartnern der Medizininstitute im Forschungszentrum Jülich, mit Partnern aus Europa und Amerika gegründet. Mit den verfügbaren analytischen BrainMet Techniken lassen sich neuartige quantitative Verteilungsanalysen von Metallen in Gewebeschnitten in Kombination mit Untersuchungen der Bindung der Metalle an Biomoleküle (Metallomics) für die Gehirnforschung einsetzen.

Motivation von BrainMet

  • Die Relevanz der Metalle in den Neurowissenschaften ist erst zu Beginn des 21. Jahrhunderts in den Mittelpunkt des wissenschaftlichen Interesses gerückt und wird zunehmend Gegenstand für grundlegende Entwicklungen und Forschungen in verschiedenen Institutionen weltweit.
  • Bekanntlich sind Metalle (z.B. Fe, Cu, Zn, Ca, K, Mg, Mn, Mo) als essenzielle Mineralelemente für den lebenden Organismus von eminenter Bedeutung und an wichtigen zellulären Prozessen im Gehirn beteiligt.
  • Bei den meisten neurodegenerativen Erkrankungen (z.B. Alzheimer, Morbus Parkinson) werden abnormale Metallablagerungen (Plaques) im Gehirn beobachtet, die zur Zerstörung der Nervenbahnen und damit zum Zelltod führen können.
  • Auch bei anderen Erkrankungen des Gehirns (Wilson, Hungtington, Amyotrophe Lateralsklerose (ALS), Depressionen, Epilepsie, Tumore) spielen Metalle bei der Entstehung bzw. Behandlung eine wichtige Rolle.
  • Über quantitative Metallverteilungen und/oder die Verteilung von Metalloproteinen in Plaques oder ausgewählten Bereichen in erkrankten Gehirnproben sind bisher kaum Untersuchungen bekannt.

State of the Art

  • In der Gruppe "Spuren- und Ultraspurenanalytik" des ZEA-3 wurden in den letzten Jahren Hightech-Analysentechniken zur quantitativen Verteilungsanalyse von Metallen in dünnen Gehirnschnitten entwickelt und etabliert. Diese analytischen Techniken unter Verwendung der Laserablations-ICP-Massenspektrometrie (LA-ICP-MS - laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry), erweisen sich als robust, reproduzierbar und liefern validierte und plausible Verteilungsbilder aller Metalle, Metalloide (As, Se), aber auch ausgewählter Nichtmetalle (z.B. C, S, Cl, I).
  • Neben den Verteilungsbildern essenzieller Metalle (Cu, Zn, Fe, Mo, Na, K, Mg, u.a.) in Gewebeschnitten können auch toxische Metalle (As, Hg, Pb, U, Th) mit hoher Empfindlichkeit analysiert werden. Die gemessenen Elementverteilungsbilder korrelieren mit den bekannten anatomischen Strukturen in dünnen Gehirnschnitten.
  • Die inzwischen im Forschungszentrum Jülich etablierten Hightech-BrainMet - Analysentechniken wurden bereits erfolgreich für ausgewählte Studien zur quantitativen Verteilungsanalytik in gesunden und kranken Gehirngewebeproben (Alzheimer- und Parkinson-Erkrankung, Gehirnschlag, Depression), aber auch zum Studium des Wachstums von Gehirntumoren eingesetzt.
  • Die neuen leistungsfähigen BrainMet -Techniken lassen sich nunmehr auch für Routineuntersuchungen an Gewebeproben für die Gehirnforschung einsetzen, sie sind aber auch für andere biologische Proben (Gewebeschnitte von Pflanzen und Tieren) oder in der Mikro- und Nanoelektronik anwendbar.
  • Derzeit werden die BrainMet -Techniken mit dem Ziel weiterentwickelt, das laterale Auflösungsvermögen bis in den Nanometerbereich zu verbessern. Mit Nano-BrainMet werden zukünftig Verteilungsanalysen an einzelnen Zellen, Zellorganellen (z.B. Mitochondrien oder quantitative Zn-Verteilungen an Synapsen) möglich sein.

Aufgaben und Schwerpunkte

  • Wir wollen unsere Kompetenzen im Forschungszentrum zur Weiterentwicklung und Verbreitung neuartiger, analytischer Werkzeuge bündeln, um beispielsweise den Zusammenhang von Metallionen, Metalloproteinen, deren Verteilungen in Gehirnproben mit neurodegenerativen Erkrankungen zu klären, bzw. neue Diagnosetechniken für Therapien zur Verfügung zu stellen, um brennende Fragen gemeinsam mit den Neurowissenschaftlern zu lösen.

Die etablierten BrainMet-Techniken sollen genutzt werden, um die aktuellen Fragestellungen zum Schwerpunkt des Forschungszentrums: "Function and Dysfunction of the Nervous System" erfolgreich zu bearbeiten, aber auch, um Kooperationen weltweit auf diesem Gebiet weiter auszubauen.

Forschungsprogramm

Kontakt

BrainMet
Analytik (ZEA-3)
Forschungszentrum Jülich
D-52425 Jülich
Dr. habil. J. Sabine Becker
Tel.: (049) 2461 612698
FAX: (049) 2461 612560
s.becker@fz-juelich.de

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