Wissenschaftler aus Max-Planck- und Helmholtz-Gesellschaft entwickeln neue Methode zur quantitativen Messung des Lipidflux

Zellmembranen werden ständig umfangreichen kompositorischen Umwandlungen unterzogen, um auf zelluläre, ernährungsphysiologische und metabolische Herausforderungen zu reagieren. Während moderne Massenspektrometriemethoden zwar die Quantifizierung der gesamten Lipidzusammensetzung ermöglichen, war die Bestimmung des zeitabhängigen Lipidumsatzes bisher nicht durchführbar. Daher besteht ein Bedarf an generischen und zugänglichen analytischen Werkzeugen, die die Quantifizierung des vollständigen Lipidoms bei gleichzeitiger Überwachung des Umsatzes einzelner Lipide, des so genannten Flux, kombinieren.

In enger Zusammenarbeit ist es Wissenschaftlern des Max-PIanck-Instituts für Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG), der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) sowie des Instituts für Pankreatische Inselzellforschung/Paul-Langerhans-Institut Dresden (IPI/PLID), Mitglied des Helmholtz-Zentrum München, gelungen, eine ultrahochauflösende Massenspektrometriemethode (shotgun ultra-high-resolution MS, sUHR) zu entwickeln, die es erstmals ermöglicht, die absolute Menge und gleichzeitig die Umsatzgeschwindigkeit von Lipidspezies direkt aus Gesamtlipidextrakten quantitativ zu bestimmen.

„Obwohl die derzeit existierenden analytischen Technologien die wichtigsten Lipide bereits in einer Momentaufnahme quantifizieren konnten, war es schwierig, die ablaufenden Lipidumformungsprozesse zu untersuchen, da sich dabei ihre Gesamtmenge nicht verändert", erklärt Dr. Andrej Shevchenko, Gruppenleiter am MPI-CBG, "deshalb haben wir gemeinsam mit Dr. Ünal Coskun am IPI/PLID eine einfache und effiziente Methode zur Überwachung der Lipiddynamik mittels ultrahochauflösender Massenspektrometrie entwickelt".

Grundsätzlich funktioniert die Methode wie folgt: Zellen werden mit biosynthetischen Vorläufern gängiger Lipidklassen versetzt, die mit Hilfe von ¹⁵N-Isotopen anstelle von ¹⁴N-Isotopen synthetisiert werden. Wenn diese mittels Isotopen markierten Vorläufer während der Biosynthese in Lipide eingebaut wurden, erhöht sich die Masse der dadurch markierten Lipide um 1 Dalton, weil sie ¹⁵N-Atome anstelle von ¹⁴N-Atome enthalten. Obwohl dieses Kennzeichnungsverfahren effizient und einfach ist, wurde es in der analytischen Praxis bislang nur spärlich eingesetzt. Lipide, die künstlich mit ¹⁵N-Isotopen markiert wurden, haben dieselben Massen wie Lipide, die ¹³C enthalten - ein bekanntes natürliches Isotop des Kohlenstoffs. Unabhängig davon, welches Isotop das entdeckte Lipid enthielt, ¹³C- oder ¹⁵N-, so unterschied sich seine Gesamtmasse um das gleiche 1 Dalton von der Masse des nativen (unmarkierten) Lipidmoleküls. Das ultrahochauflösende Massenspektrometer ist jedoch in der Lage, den winzigen Unterschied von 0,0063 Dalton in Isotopenmassen zu erkennen und ¹⁵N markierte Lipide unabhängig von nicht markierten Molekülen, die natürliche ¹³C-Isotope enthalten, zuverlässig zu detektieren und zu quantifizieren. Durch die Verwendung verschiedener ¹⁵N markierter Lipidvorläufer können die Wissenschaftler nun die Inkorporationsraten von ¹⁵N-Atomen in einzelne Moleküle der wichtigsten Lipidklassen innerhalb einer einzigen Analyse quantifizieren.

„Wenn wir an Lipide denken, denken wir intuitiv an Fette aus der Nahrung, die mit Fettleibigkeit und verschiedenen Krankheiten wie beispielsweise Diabetes in Zusammenhang stehen. Oder wir denken an die wenigen zur Verfügung stehenden klinischen Marker, wie Cholesterin, Triglyceride und Lipoproteinpartikel", erläutert Dr. Ünal Coskun. Die Lipidwelt ist jedoch komplexer. Zellen synthetisieren und wandeln mehrere tausend verschiedene Lipide um. Darüber hinaus sind Membranlipide für die direkte Regulation von Membranrezeptoren und deren zelluläre Signalwirkung von größter Bedeutung. „Im Wesentlichen ist das zelluläre Leben ohne Membranlipide undenkbar. Diese neue Methode erlaubt es uns erstmals, jedes nachweisbare Lipid quantitativ zu verfolgen und mit Gesundheits- und Krankheitszuständen zu korrelieren. Der quantitative Charakter der Methode ist dabei entscheidend für die Standardisierung und somit für den zukünftigen Einsatz im klinischen Umfeld“, resümiert Dr. Coskun.

Original Veröffentlichung:

Schuhmann et al., Monitoring Membrane Lipidome Turnover by Metabolic 15N Labeling and Shotgun Ultra-High-Resolution Orbitrap Fourier Transform Mass Spectrometry, (2017) Anal Chem. 89(23):12857-12865
http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.analchem.7b03437