Hitzestabilisierung

Hitzestabilisierung bezeichnet einen Effekt, bei dem Hitze zu einer verstärkten Konservierung von biologischen Geweben führt.[1] Sie wird in der Biochemie zur kurzzeitigen Haltbarmachung von Biomolekülen verwendet.

Eigenschaften

Bei einer Hitzestabilisierung erwärmt man das zu präparierende Gewebe in einer Pufferlösung durch Wärmeleitung auf über 80 °C, meistens auf 95 °C. Durch die Erwärmung werden unter anderem die enthaltenen Proteine denaturiert, darunter auch Autolyse verursachende Enzyme wie Peptidasen, Nukleasen, Glykosidasen und Lipasen.[2] Bei den verwendeten Temperaturen kommt es dadurch auch zu einer teilweisen Pasteurisierung. Die verwendete Temperatur liegt unter dem Siedepunkt des verwendeten Puffers, um innerhalb der Zellen Blasenbildung zu vermeiden, welche die Zellstrukturen aufbrechen kann. Aufgebrochene Zellen erschweren die Erkennung von Strukturen bei einer eventuellen mikroskopischen Betrachtung, zudem würden einige zytosolische Proteine vorzeitig aus den Zellen in den Puffer hinausdiffundieren, bevor eine gezielte Extraktion durchgeführt wird.

Im Gegensatz zur chemischen Fixierung mit Fixierungsmitteln ist die Hitzestabilisierung ein physikalischer Vorgang, weshalb keine Antigendemaskierung vor einer Immunfärbung erforderlich ist. Jedoch werden aufgrund der Denaturierung der Proteine bei einer Immunfärbung vor allem kontinuierliche Epitope von Antikörpern erkannt, während diskontinuierliche Epitope durch die Denaturierung teilweise umgefaltet werden, sich anschließend nur unvollständig zurückfalten und daher oft nicht von spezifischen Antikörpern erkannt werden. Die Hitzestabilisierung eignet sich nur mit Einschränkungen zur Langzeitlagerung von biologischen Proben, da einige Proteine auch danach noch abgebaut werden können.[3] Im Vergleich zum Schockgefrieren von Proben in flüssigem Stickstoff erhält die Hitzestabilisierung manche Phosphoproteine besser, andere dagegen schlechter, weshalb die zu verwendende Methode im Einzelfall experimentell bestimmt wird.[4]

Anwendungen

Der Vorteil der Hitzestabilisierung gegenüber einer Konservierung durch Fixierung liegt in der fehlenden Veränderung der in der Probe enthaltenen Moleküle durch Vernetzung untereinander, wodurch eine Antigendemaskierung vor einer weiteren Analyse entfällt. Die Proteine in hitzestabilisierten Proben können unter anderem durch Massenspektrometrie (insbesondere Phosphoproteine[5]),[6] Western Blot,[7] 1D- und 2D-Gelelektrophorese und Umkehrphasen-Protein-Microarrays weiter charakterisiert werden.[8] Eine Extraktion der Proteine wird meistens mit einem Chaotrop im Extraktionspuffer durchgeführt und eignet sich vor allem für Phosphoproteine.[9]

Geschichte

Die Hitzestabilisierung von biologischen Geweben für Untersuchungszwecke wurde erstmals 1994 durch M. Z. Hossain verwendet, unter Einsatz von Mikrowellen.[10] Zuvor wurden thermische Denaturierungen in der Lebensmittelherstellung bei der Hitzestabilisierung von rohen Nahrungsmitteln,[11] bei der Haltbarmachung von Wein und in der biochemischen Analytik zur Denaturierung und Inaktivierung von einzelnen Proteinen verwendet, z. B. zur Probenvorbereitung bei der SDS-PAGE oder zur Beendigung eines Restriktionsverdaus oder einer reversen Transkription.

Einzelnachweise
  1. K. Kultima, K. Sköld, M. Borén: Biomarkers of disease and post-mortem changes - Heat stabilization, a necessary tool for measurement of protein regulation. In: Journal of proteomics. Band 75, Nummer 1, Dezember 2011, S. 145–159, ISSN 1876-7737. doi:10.1016/j.jprot.2011.06.009. PMID 21708298.
  2. M. Svensson, M. Boren, K. Sköld, M. Fälth, B. Sjögren, M. Andersson, P. Svenningsson, P. E. Andren: Heat stabilization of the tissue proteome: a new technology for improved proteomics. In: Journal of proteome research. Band 8, Nummer 2, Februar 2009, S. 974–981, ISSN 1535-3893. doi:10.1021/pr8006446. PMID 19159280.
  3. T. Gemoll, O. Löwe, M. Borén, M. Oberländer, S. Hartwig, S. Lehr, U. J. Roblick, G. Auer, H. Jörnvall, J. K. Habermann: The impact of pre-analytical conditions on the serum proteome: heat-stabilization versus nitrogen storage. In: Archives of physiology and biochemistry. Band 119, Nummer 3, Juli 2013, S. 100–107, ISSN 1744-4160. doi:10.3109/13813455.2013.806556. PMID 23826811.
  4. Md. Mahiuddin Ahmeda, Katheleen J. Gardiner: Preserving protein profiles in tissue samples: differing outcomes with and without heat stabilization. In: Journal of neuroscience methods. Band 196, Nummer 1, März 2011, S. 99–106, ISSN 1872-678X. doi:10.1016/j.jneumeth.2011.01.004. PMID 21236297. PMC 3299412 (freier Volltext).
  5. Alicia Lundby, Anna Secher, Kasper Lage, Nikolai B. Nordsborg, Anatoliy Dmytriyev, Carsten Lundby, and Jesper V. Olsen: Quantitative maps of protein phosphorylation sites across 14 different rat organs and tissues. In: Nature Communications. Band 3, 2012, S. 876, ISSN 2041-1723. doi:10.1038/ncomms1871. PMID 22673903. PMC 3621391 (freier Volltext).
  6. G. B. Smejkal, C. Rivas-Morello, J. H. Chang, E. Freeman, A. J. Trachtenberg, A. Lazarev, A. R. Ivanov, W. P. Kuo: Thermal stabilization of tissues and the preservation of protein phosphorylation states for two-dimensional gel electrophoresis. In: Electrophoresis. Band 32, Nummer 16, August 2011, S. 2206–2215, ISSN 1522-2683. doi:10.1002/elps.201100170. PMID 21792998.
  7. C. Spellman, M. M. Ahmed, D. Dubach, K. J. Gardiner: Expression of trisomic proteins in Down syndrome model systems. In: Gene. Band 512, Nummer 2, Januar 2013, S. 219–225, ISSN 1879-0038. doi:10.1016/j.gene.2012.10.051. PMID 23103828.
  8. Md. Mahiuddin Ahmed, Ranjitha Dhanasekaran, Suhong Tong, Frances K. Wiseman, Elizabeth M.C. Fisher, Victor L.J. Tybulewicz, Katheleen J. Gardiner: Protein profiles in Tc1 mice implicate novel pathway perturbations in the Down syndrome brain. In: Human Molecular Genetics. Band 22, Nummer 9, Mai 2013, S. 1709–1724, ISSN 1460-2083. doi:10.1093/hmg/ddt017. PMID 23349361. PMC 3613160 (freier Volltext).
  9. O. A. Kofanova, F. Fack, S. P. Niclou, F. Betsou: Combined effect of tissue stabilization and protein extraction methods on phosphoprotein analysis. In: Biopreservation and biobanking. Band 11, Nummer 3, Juni 2013, S. 161–165, ISSN 1947-5543. doi:10.1089/bio.2013.0008. PMID 24850093.
  10. M. Z. Hossain, L. J. Murphy, E. L. Hertzberg, J. I. Nagy: Phosphorylated forms of connexin43 predominate in rat brain: demonstration by rapid inactivation of brain metabolism. In: Journal of neurochemistry. Band 62, Nummer 6, Juni 1994, S. 2394–2403, ISSN 0022-3042. PMID 8189244.
  11. George F.M. Ball: Vitamins In Foods: Analysis, Bioavailability, and Stability. CRC Press 2005. ISBN 9781420026979.
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