Chemisch schaltbare Fluoreszenzsonden für die optische Nanoskopie

Die Fluoreszenzmikroskopie hat sich als leistungsstarke Technik in allen Bereichen der Naturwissenschaften zur Untersuchung von Strukturen und dynamischen Prozessen etabliert. Im Laufe der letzten Jahrzehnte wurden Techniken entwickelt, deren Möglichkeiten weit über die herkömmlicher Mikroskopie hinaus reichen und nicht nur das Beobachten kleinster Objekte erlauben, sondern selbst die beugungsbedingte Auflösungsgrenze optischer Systeme überwinden. Mikroskopie im Allgemeinen und hochauflösende Methoden im Speziellen sind jedoch nur so gut wie die eingesetzten Fluoreszenzfarbstoffe. Während modernste Technik in der Lage ist, dreidimensionale Aufnahmen kleinster Strukturen bis hin zu einzelnen Emittern abzubilden, richtet sich nun der Fokus auf die Entwicklung neuer, leistungsfähiger Fluoreszenzsonden, deren Fähigkeit sich nicht alleine auf das Emittieren von Fluoreszenz beschränkt. Durch geschicktes Design können nicht nur elementare Eigenschaften wie molekulare Helligkeit und Photostabilität optimiert werden. Vielmehr kann eine maßgeschneiderte Funktionalisierung völlig neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnen. In dieser Arbeit wurden neue Fluoreszenzsonden auf Basis einer unnatürlichen Aminosäure entwickelt, charakterisiert und in unterschiedlichen Methoden eingesetzt. Der modulare Aufbau ermöglicht das einfache Kombinieren unterschiedlicher Fluorophore mit einem Bipyridin-Liganden zu kompakten Fluoreszenzsonden, die aufgrund der Komplexierung von Metallionen zwischen einem hellen, stark fluoreszierenden und einem dunklen Zustand geschaltet werden können und daher den Einsatz lichtgetriebener Prozesse überflüssig machen. Eine Vielzahl an Farbstoffkonjugaten konnte erfolgreich dargestellt werden, die sowohl in Ensemble- als auch in Einzelmolekülmessungen untersucht und anschließend zur Markierung geeigneter Zielstrukturen in fixierten Zellen eingesetzt wurden. Die überzeugendsten Ergebnisse wurden mit dem Atto633-Derivat erzielt, das eine Restfluoreszenz von etwa 11 % zeigt sowie eine Komplexbildungskonstante für Cu(II) von (8.11 ± 0.24) 106 M-1, die aus der Schaltkinetik einzelner Emitter bestimmt wurde. Das Potential der chemischen Schalter wurde durch die Anwendung in der Lokalisationsmikroskopie demonstriert, aus der Halbwertsbreiten der markierten Filamente bestimmt wurden, die mit etwa 70 nm deutlich unterhalb der optischen Auflösungsgrenze liegen. Die Vielseitigkeit wurde durch den Einsatz im chemischen Multiplexing gezeigt, das zudem noch mit der STED-Mikroskopie kombiniert wurde, um hochaufgelöste, mehrfarbige Bilder aus einem einzigen spektralen Kanal zu erzeugen

Behavioral impairments in animal models for zinc deficiency

Apart from teratogenic and pathological effects of zinc deficiency such as the occurrence of skin lesions, anorexia, growth retardation, depressed wound healing, altered immune function, impaired night vision, and alterations in taste and smell acuity, characteristic behavioral changes in animal models and human patients suffering from zinc deficiency have been observed. Given that it is estimated that about 17% of the worldwide population are at risk for zinc deficiency and that zinc deficiency is associated with a variety of brain disorders and disease states in humans, it is of major interest to investigate, how these behavioral changes will affect the individual and a putative course of a disease. Thus, here, we provide a state of the art overview about the behavioral phenotypes observed in various models of zinc deficiency, among them environmentally produced zinc deficient animals as well as animal models based on a genetic alteration of a particular zinc homeostasis gene. Finally, we compare the behavioral phenotypes to the human condition of mild to severe zinc deficiency and provide a model, how zinc deficiency that is associated with many neurodegenerative and neuropsychological disorders might modify the disease pathologies

Synthesis and structure of chemically switchable fluorescent probes on the basis of amino acids

The present invention relates to a compound, comprising at least one chelate-forming group, at least one linker and at least one fluorophore, and to methods for increasing the resolution in the field of fluorescence microscopy for multiplexing in the field of fluorescence microscopy and for the quantitative detection of metal ions by the use of said compound

Synthesis and structure of chemically switchable fluorescent probes on the basis of amino acids

The present invention relates to a compound, comprising at least one chelate-forming group, at least one linker and at least one fluorophore, and to methods for increasing the resolution in the field of fluorescence microscopy for multiplexing in the field of fluorescence microscopy and for the quantitative detection of metal ions by the use of said compound

Brain Lateralization in Mice Is Associated with Zinc Signaling and Altered in Prenatal Zinc Deficient Mice That Display Features of Autism Spectrum Disorder

A number of studies have reported changes in the hemispheric dominance in autism spectrum disorder (ASD) patients on functional, biochemical, and morphological level. Since asymmetry of the brain is also found in many vertebrates, we analyzed whether prenatal zinc deficient (PZD) mice, a mouse model with ASD like behavior, show alterations regarding brain lateralization on molecular and behavioral level. Our results show that hemisphere-specific expression of marker genes is abolished in PZD mice on mRNA and protein level. Using magnetic resonance imaging, we found an increased striatal volume in PZD mice with no change in total brain volume. Moreover, behavioral patterns associated with striatal lateralization are altered and the lateralized expression of dopamine receptor 1 (DR1) in the striatum of PZD mice was changed. We conclude that zinc signaling during brain development has a critical role in the establishment of brain lateralization in mice

A Cleared View on Retinal Organoids

Human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived organoids mimicking tissues and organs in vitro have advanced medical research, as they opened up new possibilities for in-depth basic research on human organ development as well as providing a human in vitro model for personalized therapeutic approaches. hiPSC-derived retinal organoids have proven to be of great value for modeling the human retina featuring a very similar cellular composition, layering, and functionality. The technically challenging imaging of three-dimensional structures such as retinal organoids has, however, raised the need for robust whole-organoid imaging techniques. To improve imaging of retinal organoids we optimized a passive clearing technique (PACT), which enables high-resolution visualization of fragile intra-tissue structures. Using cleared retinal organoids, we could greatly enhance the antibody labeling efficiency and depth of imaging at high resolution, thereby improving the three-dimensional microscopy output. In that course, we were able to identify the spatial morphological shape and organization of, e.g., photoreceptor cells and bipolar cell layers. Moreover, we used the synaptic protein CtBP2/Ribeye to visualize the interconnection points of photoreceptor and bipolar cells forming the retinal-specific ribbon synapses