Durchschnittlich 2,75 Tassen Kaffee trinken die Österreicher*innen täglich. Kaffee gilt nicht nur als Wachmacher, sondern soll mitunter auch die Konzentration fördern, das Risiko für bestimmte Krankheiten senken, Kopfschmerzen lindern und die Fettverbrennung ankurbeln. Nun hat ein Forschungsteam am Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik der TU Graz (FELMI-ZFE) einen weiteren Vorteil von Kaffee entdeckt: Das beliebte Getränk könnte als Kontrastmittel in der Elektronenmikroskopie verwendet werden.
Zellen und Moleküle sichtbar machen
Elektronenmikroskopie spielt eine wichtige Rolle in der medizinischen Diagnostik: Bei diesem Verfahren werden Elektronen statt Licht genutzt, um Zellen oder Moleküle sichtbar zu machen. Somit ist es möglich, Veränderungen im menschlichen Gewebe zu erfassen – und das in nanometergroßer Auflösung und selbst dann, wenn das Gewebe sonst nicht erfassbar wäre. Claudia Mayrhofer und Ilse Letofsky-Papst, waren an der Studie über die Nutzung von Kaffee als Kontrastmittel beteiligt. Sie erklären, warum es für solche Untersuchungen überhaupt ein Kontrastmittel braucht: „Biologisches Gewebe – unabhängig davon, ob es sich um tierische, pflanzliche oder menschliche Proben handelt – besteht überwiegend aus leichten Elementen wie Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff, die im Elektronenmikroskop nur einen geringen intrinsischen Kontrast liefern. Daher müssen die Gewebeschnitte vor der Untersuchung entsprechend kontrastiert werden. Kontrastmittel für die Elektronenmikroskopie enthalten überwiegend schwerere Elemente mit hoher Ordnungszahl (wie zum Beispiel Osmiumtetroxid, Bleicitrat, Rutheniumoxid, Phosphorwolframsäure, Platincyanid-Komplex), die sich gezielt an bestimmte zelluläre Strukturen oder chemische Gruppen binden. Durch diese selektive Anreicherung erhöhen sie den Elektronenkontrast und machen ultrastrukturelle Details im Bild sichtbar.“
Ersatz für problematischen Stoff
Bisher wurde dafür mitunter auf Uranylacetat gesetzt. Ein Stoff, der jedoch problematisch ist: „Uranylacetat ist eine chemische Verbindung des Urans mit der Essigsäure. Es handelt sich um einen gelblich-grünen, kristallinen Stoff, der sich gut in Wasser löst. Das Schwermetallsalz Uranylacetat ist nicht nur radioaktiv, sondern auch stark toxisch: Es ist beim Einatmen, Verschlucken oder bei Hautkontakt gesundheitsschädlich sowie nierenschädigend, und führt zu einem erhöhten Krebsrisiko, sodass Personen, die regelmäßig damit arbeiten, einem problematischen Stoff ausgesetzt sind. Ebenso sind die Lagerung, die Entsorgung und die erforderliche Dokumentation aufwendig“, erklären Claudia Mayrhofer und Ilse Letofsky-Papst. Daher ist Uranylacetat seit der Richtlinie 2013/59/Euratom in Laboren verboten, lediglich speziell ausgestattete Labore mit einer eigenen Genehmigung dürfen mit dem Stoff arbeiten – und das nur unter streng kontrollierten Bedingungen. Für die Kontrastierung von Gewebeproben, die im Transmissions-Elektronenmikroskop untersucht werden sollen, gibt es zwar mittlerweile Alternativen zu Uranylacetat; diese enthalten zwar kein Uran, aber diese sind ebenso toxisch und der Umgang erfordert Sicherheitsmaßnahmen.
Untersuchung mit tierischen Zellen
Claudia Mayrhofer kam nun im (Forschungs-)Alltag die Idee, stattdessen Kaffee als Kontrastmittel in der Elektronenmikroskopie einzusetzen: „Die Anregung, Kaffee als alternatives Kontrastmittel zu prüfen, entstand aus der Beobachtung, dass eingetrocknete Kaffeereste eine bemerkenswert hartnäckige Färbekraft besitzen und somit Kaffee potenziell für die Kontrastierung biologischer Proben geeignet sein könnte.“ Ein neuer Gedanke, denn bisher wurde Kaffee laut den beiden Expert*innen nicht als Kontrastmittel verwendet. Die beiden Forscherinnen führten anschließend – gemeinsam mit Masterstudent Robert Zandonella – Untersuchungen durch. Ilse Letofsky-Papst und Claudia Mayrhofer: „Nachdem erste Versuche an Algen vielversprechend waren, haben wir die Thematik im Rahmen einer Masterarbeit systematisch untersucht. Wir behandelten dabei Schnitte der Zebrafischzellen mit Kaffee sowie verschiedenen handelsüblichen Ersatzprodukten. „Als Ersatz für Uranylacetat gelten Lanthanidensalze wie Samarium- Triacetat oder Gadolinium-Triacetat (UAR-EMS, Uranyless)“, erklären die Expertinnen. Mittels Transmissions-Elektronenmikroskopie detektierte Robert Zandonella die Mitochondrien in den Zellen und quantifizierte den durch die verschiedenen Färbemittel erzielten Kontrast. Dabei zeigte sich, dass Kaffee eine sehr gute Kontrastierung ermöglicht. Noch bessere Kontrastwerte erzielte die ebenfalls getestete Chlorogensäure, ein Hauptbestandteil von Kaffee.“ Am Institut für Elektronenmikroskopie und Nanoanalytik der TU Graz (FELMI-ZFE) ist es aus ethischen Gründen nicht möglich, an menschlichen Zellen zu forschen, daher können die Forschenden dort nur Untersuchungen an tierischen Zellen durchführen. „Bisher wissen wir, dass die Kaffee-Kontrastier-Methode für Zellwände in Mäusen und Zebrafischen funktioniert. Weitere Untersuchungen sind geplant, um die Anwendbarkeit systematisch zu prüfen. Für einen Einsatz in der medizinischen Diagnostik liegt jedoch noch ein weiter Weg vor uns, da hierfür sehr strenge Zulassungs- und Prüfverfahren bestehen.“
