Vom Laserschuss zum Bild – Element(bio)imaging mittels LA/ICP-MS

Zur Untersuchung der Elementverteilung in Geweben beschießen die Forscher an der Universität Münster ihre Proben mit einem Laser. Durch Kopplung an die Plasmamassenspektrometrie erhalten sie dabei wertvolle analytische Informationen.

Die moderne Analytische Chemie hat in den letzten Jahren insbesondere im Bereich der Kopplungstechniken eine Vielzahl von Methoden entwickelt, die bei der Beantwortung biologischer oder medizinischer Fragestellungen wertvolle Erkenntnisse liefern. Diese Kopplungstechniken zeichnen sich dadurch aus, dass zwei ursprünglich unabhängige analytische Methoden, z. B. die Flüssigchromatographie (LC) und die Massenspektrometrie (MS) oder die Kapillarelektrophorese (CE) und die Fluoreszenzspektroskopie – um nur zwei Beispiele zu nennen, in geeigneter Weise so kombiniert werden, dass ein höherer Informationsgehalt über eine Probe erhalten wird. Die dabei zu beantwortenden Fragestellungen erwachsen aus den verschiedensten Bereichen der Natur- und Lebenswissenschaften: Kopplungstechniken finden ihren Einsatz u. a. in der Lebensmittelanalytik, der Umweltanalytik, der klinischen Analytik oder in den vielen, heute als Omiks bezeichneten Teilen der Biowissenschaften wie Proteomik, Metabolomik oder Lipidomik.


Laserablation und ICP-MS

Die Kopplung eines Laserablationssystems (LA) mit der induktiv gekoppelten Plasmamassenspektrometrie (ICP-MS), wie sie in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Uwe Karst am Institut für Anorganische und Analytische Chemie eingesetzt wird (siehe Abbildung 1), bietet die Möglichkeit, viele Elemente - vor allem aber Metalle - in Gewebeschnitten im Spuren- und Ultraspurenbereich zu bestimmen. Sehr gute Nachweisgrenzen zeichnen die Laserablations-ICP-MS im Vergleich zu zahlreichen röntgenspektrokopischen Methoden aus. Bei dem hier eingesetzten Verfahren, in der Fachliteratur meist mit LA/ICP-MS abgekürzt, wird die Probe in einer Ablationskammer punktweise mit einem Laserstrahl beschossen. Die verwendete Laserwellenlänge liegt im UV-Bereich des elektromagnetischen Spektrums; eine typische Wellenlänge ist dabei 213 nm. Kommerzielle Instrumente erlauben Spotgrößen zwischen 4 und 200 µm. Die Gruppe von Detlef Günther an der ETH Zürich konnte zeigen, dass mit Hilfe eines Femtosekunden-Lasers und einer neuartigen Ablationszelle auch Auflösungen im Bereich von 1 µm zu erzielen sind [1]. Durch den Laserbeschuss wird das Probenmaterial abgetragen, in die Gasphase transferiert und von einem Argon- oder Heliumgasstrom in das induktiv gekoppelte Plasma gebracht, wo Temperaturen von mehreren Tausend Grad herrschen. Die hohen Temperaturen im Plasma sorgen dafür, dass alle Probenbestandteile, die durch den Laserbeschuss abgetragen wurden, vollständig atomisiert werden. Jegliche Molekülinformation geht bei diesem kombinierten Prozess aus Ablation und Plasmaatomisierung verloren, und die Probe wird auf die Ebene ihrer Elementzusammensetzung „heruntergebrochen“. Nach Atomisierung und Ionisierung gelangen die Elementionen (z. B. Silberionen, Ag+ oder Titanionen, Ti+) dann in das Massenspektrometer, wo sie aufgrund ihre charakteristischen Masse-zu-Ladungsverhältnisses (m/z) detektiert werden (Abbildung 1). Man erhält dadurch für jeden ablatierten Spot die zugehörige qualitative und quantitative Elementinformation. Die Probe wird in der gerade beschriebenen Weise Spot für Spot zeilenweise abgerastert. Nach Umwandlung des Signals mittels einer geeigneten Software erhält man dann ein Bild der Elementverteilung des Gewebeschnittes (Abbildung 2). Man spricht hier daher auch vom Element(bio)imaging.

Abbildung 1.
Abbildung 2.

Element(bio)imaging von Silber im Gewebe

In Zusammenarbeit mit der Experimentellen Orthopädie des Universitätsklinikums Münster wurde mittels LA/ICP-MS unter anderem das Einwuchsverhalten von Metallimplatanten auf Titanbasis in hartes und weiches Knochengewebe untersucht [2]. Die Implantate waren dabei mit nanopartikulärem Silber beschichtet, das aufgrund seiner bakteriziden Wirkung zur Verringerung der Infektionsrate beitragen sollte. Abbildung 3 zeigt, wie sich die Elemente Titan (Ti, rot), und Silber (Ag, blau) im umgebenden Knochengewebe verteilen. Silber konnte auf diese Weise bis zu einer Entfernung von 750 µm von der Implantatoberfläche detektiert werden. Diese Untersuchungen erlauben es zu beurteilen, wie sich Silber im Gewebe verhält und ob durch eine eventuelle Mobilisierung des Silbers eine weitere Verteilung im Gesamtorganismus zu erwarten ist. Eine zentrale Aufgabe der Analytischen Chemie ist dabei natürlich auch die Quantifizierung. Dies gelingt mit Hilfe matrixangepasster Standards, die für die jeweilige Probe jedoch stets entwickelt werden müssen [3,4].

Abbildung 3.

Nicht nur durch Implantate kann (nano)partikuläres Silber in den Organismus gelangen, sondern auch durch Inhalation, also die Aufnahme über die Atemwege. Man denke nur an die Verwendung von Silber in Körperpflegeprodukten wie Deospray. Da der Organismus solche Partikel als Fremdkörper behandelt, ist es wichtig aufzuklären, in welcher Form sie nach dem Einatmen im Lungengewebe vorliegen. Hierzu wurde in der Arbeitsgruppe Karst eine Methode auf Basis der LA/ICP-MS entwickelt, die die quantitative ortsaufgelöste Detektion von Einzelpartikeln in Geweben erlaubt. Der Aufbau des LA/ICP-MS-Systems ähnelt demjenigen, der in Abbildung 1 gezeigt ist. Mit Hilfe dieser sogenannten Einzelpartikel-LA-ICP-MS (SP-LA-ICP-MS; SP = single particle) lassen sich einzelne Nanopartikel in festen Proben mit guten Nachweisgrenzen bestimmen. Auch Aussagen über die Größenverteilung der Partikel lassen sich hiermit treffen.

Für das Element(bio)imaging hat der analytische Chemiker mit der fruchtbaren Kombination von Laserlicht zu Ablation und der Plasmamassenspektrometrie zur Detektion eine leistungsstarke Methode an der Hand, die zur Beantwortung vieler Fragestellungen beiträgt. In Zukunft werden einige der Herausforderungen sein, die Ergebnisse dieser Methode mit anderen Imagingverfahren zu verknüpfen und die Auflösung der Systeme weiter zu verbessern.

Literatur

[1] Wang, H. A. O.; Grolimund, D.; Giesen, C.; Borca, C. N.; Shaw-Stewart, J. R. H.; Bodenmiller, B.; Günther, D.; Analytical Chemistry 2013, 85, 10107-10116

[2] Blaske, F.; Reifschneider, O.; Gosheger, G.; Wehe, C. A.; Sperling, M.; Karst, U.; Hauschild, G., Höll, S. Analytical Chemistry 2014, 86, 615-620

[3] Hare, D.; Austin, C.; Doble, P.; Analyst 2012, 137, 1527-1537

[4] Reifschneider, O.; Wentker, K. S.; Strobel, K.; Schmidt, R.; Masthoff, M.; Sperling, M.; Faber, C.; Karst, U.; Analytical Chemistry 2015, 87, 4225-4230