Wie Lipide die biologische Forschung verändern

Die Revolution der Fette

Heute beginnen wir zu erkennen, dass Lipide in der Forschung unterrepräsentiert sind. Während über Jahrzehnte hinweg die Erforschung von DNA und Proteinen forciert wurde, sind in den letzten sechs Jahren wegweisende Entdeckungen im Bereich der Lipide gemacht worden. Diese haben zu einem neuen Gespür und Verständnis für die Bedeutung der Fettmoleküle geführt. Die Ursache dafür ist in einem Paradigmenwechsel in der Lipidforschung zu finden.

Die von Lipotype entwickelte "Shotgun-Lipidomics-Technologie" analysiert die Lipide der Proben mittels Massenspektrometrie. (Bild: Lipotype)

In der Vergangenheit verhinderten die Methoden der Lipidforschung ein zügiges Voranschreiten. Ungenauigkeit, lange Analysezeiten von teils mehreren Monaten und hohe Preise dämpften die Aussichten der Forschung und Industrie auf Erkenntnisse und Anwendungen. „Dieses Defizit war letztlich die Motivation, aus welcher Lipotype entstanden ist“, reflektiert Professor Kai Simons, Gründer der Lipotype GmbH. Die von Lipotype entwickelte Technologie setzt dazu bei den drei Kernproblemen der Lipidforschung an – Genauigkeit, Zeitaufwand und Preis. Aus der Lipidforschung ist mittlerweile die Lipidomik geworden. In Analogie zur Genomik oder Proteomik beschäftigt sich die Lipidomik mit der Identifikation und Analyse der Gesamtheit der Fette eines biologischen Systems.

Lipotype Shotgun Lipidomics
„Unsere eigens entwickelte Lipotype Shotgun Lipidomics Technologie analysiert die Lipide der Proben mittels Massenspektrometrie”, erklärt Dr. Michal Surma, Leiter analytische Services. „So können wir die Lipide hunderter Proben an nur einem Tag absolut quantifizieren“. Mit diesem Service steht Lipotype allein auf dem Markt. Mehr als 2 300 individuelle Lipide und 30 verschiedene Lipidklassen (z. B. TAG oder PC) werden durch die Technologie bis auf die strukturelle Ebene der Lipid-Subspezies analysiert (z. B. PC 18:0_16:0). Selbst die Fettsäurezusammensetzung wird ermittelt.

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Der Einfluss des gewählten Probenmaterials wird durch die Probenaufbereitung minimiert. Von Bakterien, Hefen und anderen Mikroorganismen, Zellkulturen und Körperflüssigkeiten wie Blut oder Rückenmarksflüssigkeit bis hin zu Haut-, Gewebe- und Organ-Proben – das Spektrum an Anwendungen ist breit. Dabei bleibt die erforderliche Probenmenge aufgrund der Sensitivität der Technologie minimal. Schon 1 µl reicht z. B. für die Analyse von Blutplasma.

Beliebte graphische Darstellungen in LipotypeZoom.

Des Weiteren ist die Konsistenz der Ergebnisse ein elementares Kriterium jeder analytischen Methode. Dazu hat Lipotype eine Studie durchgeführt [1]. Die Ergebnisse der Validierung zeigen, dass die erhobenen Daten reproduzierbar sind. Die Shotgun Lipidomics-Technologie beschreibt das Unternehmen als robust und verlässlich. Die technisch bedingte Varianz liegt bei weniger als 10 %.

Analyse bis Interpretation
Neben den technischen Aspekten, setzt Lipotype auf proprietäre Software zur Lipididentifikation: LipotypeXplorer. Unter Verwendung der Molecular Fragmentation Query Language (MFQL) werden die Lipide eindeutig identifiziert. Die Lipotype Shotgun Lipidomics-Technologie ist deshalb nicht auf die Qualität und Vollständigkeit vordefinierter Datenbanken angewiesen.

Die Auswertung, Darstellung und Interpretation der informationsreichen Lipidmessungen stellt häufig eine Hürde dar. Aus diesem Grund stellt das Dresdner Unternehmen mit „LipotypeZoom“ eine Online-Applikation zur Verfügung, mit der die erhobenen Daten interaktiv analysiert werden können. Graphen, Heatmaps oder auch Hauptkomponentenanalysen können heruntergeladen und sofort für eine spätere Publikation verwendet werden. Zusätzlich können erweiterte statistische Berichte für Kohortenvergleiche und Korrelations- oder Pathway-Enrichment-Analysen individuell erstellt werden.

„Auch wir sind Wissenschaftler, und wir wissen, dass mit jedem Experiment neue Fragen aufkommen“, wendet Dr. Michal Surma ein. „Unser Team besteht aus Lipid-Experten der Biologie und Chemie, aus Massenspektrometrie-Spezialisten und Bioinformatikern des renommierten Max-Planck-Instituts der Molekularen Zellbiologie und Genetik in Dresden. Unser kollektives Wissen fließt in jede persönliche Konsultation ein. Von der Probenvorbereitung bis zur Interpretation der Ergebnisse“.

Anwendungen – so vielfältig wie das Leben
Lipidomik ist nicht nur für Grundlagenforschung oder die klinische Diagnostik interessant. Auch die Entwicklung von Nutraceuticals und Functional Food oder der Test kosmetischer und dermatologischer Produkte sind Anwendungsfelder. Schon nach nur vier Jahren spiegelt die Bandbreite an Kunden und Kooperationspartnern von Lipotype die Bedeutung und den Einfluss der Lipidomik auf alle Bereiche der Forschung und des Lebens wider.

Umbruch in der Gesundheitsforschung
Einer der größten, zeitnahen Einflüsse auf das öffentliche Leben zeichnet sich für Professor Kai Simons im Bereich der Gesundheitsforschung ab. „Schon heute sind die Messung der Triglycerid- und der Cholesterin-Blutfettwerte Routine beim Hausarzt. In wenigen Jahren könnte die breite Anwendung der Shotgun Lipidomics-Technologie und die Auswertung von Blutlipidsignaturen die Aussagekraft einer Blutfettwert-Messung maßgeblich erhöhen“.

Aktuelle Forschungsergebnisse kommen zu dem Schluss, dass sich über bestimmte Lipidsignaturen Krankheiten schon Jahre vor der Ausprägung ihrer Symptome diagnostizieren lassen könnten. „Vielleicht müssen wir den Begriff `Symptom´ neu interpretieren“, sagt Simons. In diesem Zusammenhang hat Lipotype Blutproben der 2 000 Patienten umfassenden Malmö Diet and Cancer Study analysiert. Aus den Ergebnissen wurde eine Lipidsignatur ermittelt, die eine Beziehung zwischen reduzierten Werten bestimmter ungesättigter Fettsäuren in komplexen Lipiden und Diabetes sowie Herzinfarkten aufzeigt [2]. Das Beispiel macht deutlich, wie die Analyse von Lipidsignaturen aus Blutproben frühzeitig Krankheiten aufdecken könnte. Die Präventionsmedizin bekäme somit ein potentes Mittel zur Hand, welches mit der bereits jetzt stetig wachsenden Menge an verfügbaren Lipidsignaturen konstant an Informationsgehalt dazugewinnen würde.

In einer anderen Forschungskooperation wurde die Auswirkung des Anti-Tumor-Lipids 2-Hydroxyölsäure (OHOA) auf die intrazellulären Vorgänge molekülspezifisch untersucht. Mittels der Lipotype-Technologie konnte gezeigt werden, dass nach der Behandlung mit OHOA die Fettsäure in mehrere Lipidklassen eingebaut wurde und Krebs-Signaltransduktionskaskaden modifiziert werden [3].

Das Anwendungspotenzial der neuen Technologie beschränkt sich in der klinischen Forschung und Biotechnologie jedoch nicht nur auf die Identifikation von Lipidsignaturen. Auch die Aufklärung von Wirkungsmechanismen, Begleitung von Interventionsstudien, Medikamentenentwicklung, Pharmakokinetik oder Beurteilung der Effektivität eines Medikaments sowie viele weitere Bereiche werden durch die Lipidomik revolutioniert. „Wir stehen vor einer wissenschaftlichen Herkulesaufgabe:“, resümiert Simons, „der umfassenden Erschließung der biologischen Funktionen der Fettmoleküle. Aber wir glauben daran, dass die Lipidomik der Schlüssel zu einem besseren Leben für uns alle ist“.

Literatur/Referenzen
[1] Michal A. Surma et al. An automated shotgun lipidomics platform for high throughput, comprehensive,
and quantitative analysis of blood plasma intact lipids. European Journal of Lipid Science and Technology, 2015, 117, p 1540-1549
[2] Sanela Kjellqvist et al. Identification of Shared and Unique Serum Lipid Profiles in Diabetes Mellitus and Myocardial Infarction. Journal of the American Heart Association, 2016
[3] Maria L. Torgersen et al. The anti-tumor drug 2-hydroxyoleic acid (Minerval) stimulates signaling
and retrograde transport. Oncotarget, 2016, 7(52), p 86871-86888

AUTOREN
Dr. Christian Klose, Leiter Forschung und Entwicklung
Henri Deda, Marketing


Kai Simons

Über Kai Simons
Der finnische Professor der Biochemie und Zellbiologie ist Autor des Konzepts der „Lipid Rafts“. Er war Mitglied des Aufbauteams des EMBL, ist Gründer der European Life Scientist Organisation und initiierte die Gründung des Max-Planck-Instituts der Molekularen Zellbiologie und Genetik in Dresden. Im Jahr 2012 gründete er die Lipotype GmbH.

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