ufgrund der Intensität der Farben und der Dynamik der dreidimensionalen Objekte üben die Abbildungen auf dieser Seite eine gewisse Faszination aus. Beim Betrachten dieser Computerdarstel- lungen taucht Prof. Hans Oberleith- ner vom Institut für Vegetative Phy- siologie an der Universität Münster nicht nur in die Welt der Kunst, son- dern auch in die Geheimnisse der Na- tur ein. Denn Oberleithner gehört zu den Pionieren bei der Anwendung der Rasterkraftmikroskopie zur Darstel- lung von Biomolekülen.
Hierbei handelt es sich um die zehnmillionenfach vergrößerte Ab- bildung realer Strukturen, von denen man noch vor wenigen Jahren allen- falls gewisse Vorstellungen hatte. Da- bei interessieren den Wissenschaftler nicht nur die Struktur der lebenden Zellen und Zellkerne sowie ihrer um- hüllenden Membranen, sondern auch alle Vorgänge, die sich daran zur Steuerung des Organismus abspielen.
So stellt beispielsweise eine in strah- lenden Blauviolett-
Schattierungen vor schwarzem Hin- tergrund erstellte Abbildung (Abbil- dung 1)einen win- zigen Ausschnitt der Membran einer Eizelle des afrika- nischen Krallen- frosches dar. Ganz deutlich sind dar- auf mehrere trich- terähnliche Vertie- fungen zu sehen.
Es handelt sich da- bei um einige der insgesamt an die 40 Millionen Poren auf dieser Kern-
membran. Über die Funktion der Po- ren hat Oberleithner mit Hilfe der Patch-Clamp-Technik schon eine Menge erfahren. Hierbei werden un- ter anderem die durch die Zellhülle fließenden Ionenströme gemessen und von diesen Meßergebnissen
Rückschlüsse auf zelluläre Mechanis- men gezogen. Mit der Rasterkraftmi- kroskopie, bei der eine winzige Sonde die Moleküloberfläche abtastet, kann jetzt sichtbar gemacht werden, was vorher gemessen wurde – Funktion und Strukturwerden somit in Korrela- tion gebracht.
Durch Untersuchungen in enger zeitlicher Abfolge kann man beispiels- weise zuschauen, wie sich die Poren auf der Membran öffnen und schließen, um Signale von außen in den Zellkern hinein- und gene- tische Bauanwei- sungen aus dem Kern ins Zell- plasma hinauszu- lassen. Und damit zeigt sich auch schon die medi- zinische Relevanz dieser Grundla- genforschung.
„Wenn bekannt ist, wie die Poren reguliert werden“, so Oberleithner,
„dann könnte es eines Tages mög- lich sein, pharma- kologisch einzu- greifen, um die Informationen zwi- schen Kern und Zelle zu blockieren.“
Während die Untersuchungen an der Kernmembran noch in den An- fängen stecken, stehen Nierenzellen, die in der Kultur zu Tumorzellen ver- ändert worden sind, seit jeher im In- teresse des Physiologen. Ein Beispiel dafür ist die Abbildung 2, die eine in ständiger Wanderung begriffene Zelle zeigt: auf der einen Seite eine sich nach vorn schiebende flache Zunge, hinten eine Art Schwanzstümpfchen.
Bei Betrachtung eines winzigen Bildausschnitts präsentieren sich die kleinen „Stipser“ auf der Zellober- fläche als Einstülpungen, die von ei- ner Minute zur anderen entstehen und wieder verschwinden. Diese Dar- stellungen helfen dem Wissenschaft- ler, das Nach-vorne-Kriechen der Zel- le zu erklären, welches dadurch ent- steht, daß hinten kleine Bläschen – die mit der Patch-Clamp-Technik als Ka- liumkanälchen identifiziert wurden – abgeschnürt und vorne an der Zunge wieder angebaut werden.
A-522 (30) Deutsches Ärzteblatt 95,Heft 10, 6. März 1998
P O L I T I K MEDIZINREPORT
Rasterkraftmikroskopie
Wie man Zellen bei der Arbeit zuschauen kann
Funktion und Struktur von Molekülen können korreliert werden.
A
Abbildung 2: Was wie eine kolorierte Gletscherzunge mit Endmoräne aussieht, ist der Fortsatz einer nach links unten wandernden Nierenepithelzelle. Die Unter- kante des Feldes ist 20 Mikrometer (tausendstel Millimeter) lang.
Abbildung 1: Porendurchsetzte Hülle des Zellkerns einer Krallenfrosch-Eizelle. Un- gefähr 25 Millionen Poren – davon sind zwei im Bild zu sehen – ermöglichen dem Zellkern, Stoffe mit dem Zellplasma auszutauschen. Fotos: Hans Oberleithner
A-523
P O L I T I K MEDIZINREPORT
Deutsches Ärzteblatt 95,Heft 10, 6. März 1998 (31) agnesium erfüllt im mensch-
lichen Organismus bioche- misch die Aufgabe, energie- reiche Nukleotide sowie Enzyme mit Schrittmacherfunktion im Stoffwech- sel biologisch zu aktivieren. Therapeu- tisch wird Magnesium daher einge- setzt in der Gynäkologie (Tokolyse, Eklampsie), in der Kardiologie (Herz- infarkt, Arrhythmien) zur Verbesse- rung des Glucose- und Lipidstoff- wechsels sowie bei Leistungssportlern.
Neben der zum Teil krankheitsbe- dingten Magnesiumunterversorgung kann eine unzureichende Magnesium- versorgung der Menschen in der indu- strialisierten Welt angenommen wer- den, die auf eine reduzierte Verfügbar- keit von Magnesium in den landwirt- schaftlich genutzten Böden zurückzu- führen ist. Im Durchschnitt fehlen bei einer normalen Mischkost zirka fünf mmol Magnesium/Tag. Biochemisch gesehen wirkt sich die suboptimale Ma- gnesiumversorgung besonders in psy- chischen und physischen Streßsituatio- nen (Krankheiten, Wachstum, Schwan- gerschaft, Sport) besonders stark aus.
Durch eine Magnesiumsupple- mentierung mit natürlichen magnesi- umreichen Nahrungsmitteln oder mit pharmazeutischen Magnesiumpräpa- raten kann ein Magnesiummangel ausgeglichen beziehungsweise verhin- dert werden. Von der pharmazeuti- schen Industrie werden derzeit zirka 50 Magnesiumpräparate hergestellt, die sich unter anderem dadurch unter- scheiden, daß unterschiedliche Ma- gnesiumverbindungen als Wirkstoff eingesetzt werden.
Das aus Gründen der Elektroneu- tralität mit Magnesium vergesellschaf- tete Anion kann anorganischer Natur (Oxid, Chlorid unter anderem) oder organischer Natur (meist im menschli- chen Stoffwechsel vorkommende Säu- ren wie Citrat, Aspartat, Orotat und andere) sein. Hier stellt sich die Frage, ob die verschiedenen Magnesiumver- bindungen die gleiche therapeutische Qualität aufweisen oder ob sich die un- terschiedlichen physikalischen und chemischen Eigenschaften der ver- schiedenen Verbindungen auf die bio- logische Verfügbarkeit für den Men-
schen auswirken. In der wissenschaftli- chen Literatur existieren relativ wenig Informationen über die Bioverfügbar- keit von Magnesium beim Menschen.
Die publizierten Daten sind aufgrund unterschiedlicher Testprotokolle nur eingeschränkt vergleichbar. Es kann jedoch festgestellt werden, daß die in- testinale Resorption des Magnesiums unabhängig von der verabreichten Verbindung erfolgt. Man kann davon ausgehen, daß alle Magnesiumverbin- dungen – unabhängig von ihrer galeni- schen Form – in die Magensäure oder den Dünndarm gelangen und früher oder später ihre Identität – das heißt den Bezug zu dem jeweiligen Anion – verlieren. Dies gilt auch für das als Komplex gebunden geltende Magnesi- umorotat; hier konnte der Nachweis geführt werden, daß es im Intestinal- trakt in die einzelnen Ionen zerfällt, die dann getrennt resorbiert werden.
Nach den Grundregeln der Phar- makologie muß neben der Bioverfüg- barkeit der Magnesiumpräparate auch ihre Wirksamkeit nachgewiesen wer- den. Aufgrund der Funktionen von Magnesium in der Zelle sind die Wir- kungen einer oralen Magnesiumsup- plementierung nicht mit den Wirkun- gen klassischer pharmazeutischer Prä- parate vergleichbar. Tatsächlich konn- te in einer Vielzahl klinischer Untersu- chungen festgestellt werden, daß Ma- gnesiumgaben bei physischem Streß zu einer reduzierten Glukose-, Lactat- und Insulinkonzentration im Serum sowie zu einer verminderten Aus- schüttung der Streßhormone Cortisol, Aldosterol und Katecholamin führen.
Außerdem führte die Magnesi- umgabe zu einem erhöhten Mem- branschutz der Muskelzellmembran sowie zu einer um etwa zehn Prozent gesteigerten physischen Leistung. Zur Behebung eines Magnesiummangels, ist aufgrund der raschen Ausschei- dung des absorbierten Magnesiums über den Urin eine Supplementie- rungszeit von zwei bis drei Monaten mit 15 bis 20 mmol Magnesium/Tag zu empfehlen.
Anschrift des Autors
Dr. rer. nat. Sieghard W. Golf Institut für Klinische Chemie und Pathobiochemie
Justus-Liebig-Universität Gießen Gaffkystraße 11, 35392 Gießen Der Untersucher hat beim „Ein-
fangen“ dieser Prozesse jedoch auch mit Schwierigkeiten zu kämpfen; so sind die Objekte äußerst nachgiebig und leicht in ihrer natürlichen Umge- bung verschiebbar. Außerdem laufen die zu registrierenden Prozesse sehr schnell ab.
Der medizinische Nutzen dieser Forschungsarbeiten könnte in einer gezielteren Zytostatika-Behandlung von Tumorerkrankungen liegen.
Oberleithner und seine Mitarbeiter untersuchen in diesem Zusammen- hang bewährte und neue Zytostatika hinsichtlich ihrer Wirkung auf die wandernde Tumorzelle. Ziel ist es, ein Mittel zu finden, das die Kaliumkanäl- chen am Schwanz der Zelle blockiert
und somit ein Kriechen beziehungs- weise letztlich das Tumorwachstum verhindert. In einem weiteren Projekt versuchen der eng mit der Yale-Uni- versität in New Haven (USA) koope- rierende Wissenschaftler und seine Mitarbeiter den Mechanismen auf die Spur zu kommen, die den Ausstoß von Blutgerinnungsfaktoren aus den Endothelzellen steuern. Mittels der rasterkraftmikroskopischen Untersu- chungen können die Forscher mittler- weile sozusagen dabei zuschauen, wie sich bei der Gerinnungshemmung ein Bläschen aus der Endothelzelle in die Membran verschiebt und ihren Inhalt hinausstülpt. Doch es bleiben noch viele Fragen der genauen Zusammen- hänge zu klären. Jutta Reising
