Raman-Spektroskopie

Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB

Raman- Spektroskopie in der biologische Anwendung zur nicht-invasiven Sterilitätskontrolle und zur nicht-invasiven und markerfreien Charakterisierung von Zellen.

Forschungsthemen

Die Raman-Spektroskopie ist eine weit verbreitete Analysetechnik, die bislang in verschiedenen Bereichen der chemischen und pharmazeutischen Analytik eingesetzt wird. Ein neueres Anwendungsfeld ist die Untersuchung von komplexen biologischen Systemen. Anders als bei der Untersuchung von einer oder wenigen chemischen Komponenten ist die biologische Anwendung geprägt von einer Vielzahl unterschiedlicher und sich überlagernder Signale. Daher sind die Schwerpunkte der Forschung zum einen das Auffinden relevanter Informationen in den Messdaten und die Anwendung der Technik im Tissue Engineering und der regenerativen Medizin.

Mögliche Anwendungen im Bereich der Zellkulturtechnik und medizinischen Diagnostik:

  • Vitalitätskontrolle
  • Krebszellerkennung
  • Untersuchung der zellulären Differenzierung
  • Beschreibung von Stoffwechselvorgängen
  • Sterilitätsmessung inkl. Identifizierung der Mikroorganismen

Wissenswertes

  • Wie funktioniert die Raman-Spektroskopie?

Die Raman-Spektroskopie basiert auf der Interaktion von Licht in einer Probe. Das eingestrahlte Licht, üblicherweise Laserlicht, wird in der Probe gestreut, wobei Molekülschwingungen angeregt werden. In diesem Streuprozess wird ein kleiner Anteil des Lichts in der Wellenlänge verändert und kann als Spektrum detektiert werden. Das Spektrum liefert dabei Informationen zur chemischen Zusammensetzung der Probe.

  • Mikro-Raman-Spektroskopie

In der Untersuchung von biologischen Proben wird meist die Mikro-Raman-Spektroskopie verwendet, die die Raman-Spektroskopie mit einem mikroskopischen Aufbau verbindet, so dass man den Laser direkt in eine Zelle fokussieren und diese messen kann. Die erhaltene Information spiegelt die chemische Komposition der gemessenen Zelle wieder. Diese Information kann verwendet werden um beispielsweise unterschiedliche Zelltypen zu unterscheiden und den jeweiligen Zelltyp zu charakterisieren.

  • Vorteile der Raman-Spektroskopie

Die Vorteile der Raman-Spektroskopie sind dabei zum einen die sehr geringe Notwendigkeit der Probenvorbereitung und die Möglichkeit, direkt in dem spezifischen Zellkulturmedium zu messen. Dies ist bei anderen Methoden wie der Infrarot-Spektroskopie nur schlecht zu realisieren.

Projekte

  • »BioRaman«

Im Fraunhofer-Projekt »BioRaman« hat das Fraunhofer IGB in Kooperation mit den Fraunhofer Instituten IPM und IBMT ein Verfahren für die zerstörungsfreie und markerunabhängige Charakterisierung von biologischem Material mittels Raman-Spektroskopie entwickelt. Das Projekt bezog sich zum einen auf die Entwicklung eines Raman-Spektrometers für die biologische Anwendung, die Entwicklung einer Flusszelle zum Positionieren und zur Messung von Mikroorganismen und Zellen und auf die Anwendung als Verfahren zur Sterilitätsmessung und Zellcharakterisierung.

  • »Anfärbefreie und chemisch selektive Mikroskopie für ein schnelles Zellscreening«

In diesem von der Baden-Württemberg-Stiftung geförderten Projekt untersuchen wir die markerfreie Analyse von mesenchymalen Stammzellen und deren Differenzierung in verschiedene Zelllinien mittels Raman-Spektroskopie und Coherent-Anti-Stokes-Raman-Spektroskopie (CARS). Im Fokus steht dabei die Nachweisbarkeit der zellulären Differenzierung mittels der genannten Techniken.

  • Nachweis zellulärer Stoffwechselaktivitäten

In einem weiteren über Fraunhofer-Eigenmittel finanzierten Projekt haben wir die metabolische Veränderung von Algen und Zellen in Bezug auf die biobasierte Produktion von Omega-3 Fettsäuren, Interferon-beta und Faktor VII, einem Blutgerinnungsfaktor untersucht. Es zeigte sich dass der metabolische Shift zwischen produzierenden und nicht produzierenden Zellen mit Hilfe der Raman-Spektroskopie nachweisbar ist. Dies demonstriert die hohe Sensitivität des Verfahrens und eröffnet neue Wege der Anwendung der Raman-Spektroskopie zur Qualitätskontrolle.

Leistungen

  • Studien und Testungen
  • Histologie, molekular- und zellbiologische sowie biochemische Analysen an Geweben und Medienüberständen zum Vergleich der Messdaten
  • Zellcharakterisierung und -sortierung
  • Zellisolierung aus Biopsiematerial

Ausstattung

  • Mikroskopie (AxioVert 200M, Zeiss)
  • Mikrodissektionsgerät
  • Laser-Scanning Technologie
  • Raman-Spektrometer
  • Durchflusszytometer
  • Real-Time PCR

Publikationen

  • Mertsching H, Sulz G, Thielecke H, Bolwien C, Koch S, Vorrichtung und Verfahren zur Analyse biologischer Proben, Patentschrift, Deutsches Patent- und Markenamt, DE 10 2006 053 540 B3, Tag der Veröffentlichung 31.01.2008.
  • Bolwien C, Sulz G, Becker S, Thielecke H, Mertsching H, Koch S, Rapid Detection of Bacterial Contamination in Cell or Tissue Cultures Based on Raman Spectroscopy, Proceedings of SPIE, Vol. 6853, 68530F, 2008.
  • Koch S, Dreiling M, Gutekunst M, Bolwien C, Thielecke H, Mertsching H, Discrimination of microorganisms and cells in tissue engineering by Raman spectroscopy, Proceedings of SPIE, 7368-46, 2009.
  • Pudlas M, Koch S, Bolwien C, Walles H, Raman spectroscopy as a tool for quality and sterility analysis for tissue engineering applications like cartilage transplants, Int J Arti Organs, 33(3), 228-237, 2010.