Calcium-Imaging

Die Calciumbildgebung geht auf die 1970er Jahre zurück. Dabei wurde insbesondere der Farbstoff BAPTA verwendet. Auch heute noch werden Derivate des Farbstoffs eingesetzt. Seitdem wurden weitere Methoden zur Calciummessung entwickelt. Dazu gehören ratiometrische Farbstoffe, die auf der Fluoreszenzlebensdauer oder der Fluoreszenzintensität basieren und genetisch kodierte Calciumindikatoren (GECIs). Neuere Entwicklungen des Calcium-Imagings ermöglichen z.B. die Untersuchung von Änderungen der Calciumkonzentration in lebenden, sich bewegenden Tieren in Echtzeit. Dies ist u.a. aufgrund von miniaturisierten Formen von endoskopischen 1- oder 2-Photonen-Fluoreszenzmikroskopen (Miniskopen) möglich, die für In-vivo-Aufnahmen einzelner Zellen eingesetzt werden.

Die verwendeten Mikroskopieverfahren sind abhängig vom Einsatzgebiet, dem verwendeten Calciumindikator sowie der Fragestellung. Sie umfassen verschiedene Formen der Fluoreszenzmikroskopie, z.B. die 2-Photonen- und 3-Photonen-Mikroskopie. Dadurch sind Messungen in vitro und in vivo möglich. Zur Visualisierung werden chemische Calciumindikatoren wie Fura-2, Indo-1 und Fluo-4, oder genetisch kodierte Calciumindikatoren (z.B. GCaMP, CaMPARI) verwendet. Die Protein-kodierenden Gene werden dabei mittels Transfektionsmethoden in einzelne Zellen oder Zelllinien eingebracht. Eine andere Methode ist die Zucht transgener Tiere, die den Indikator exprimieren. Einige GECIs erfassen Calcium durch direkte Emission von Photonen (Lumineszenz), andere verwenden fluoreszierende Proteine als Reporter (z.B. GFP).

Calcium-Imaging wird in vielen Forschungsschwerpunkten eingesetzt, darunter z.B. in den Neurowissenschaften, in der Alters- und Schmerzforschung, in der Entwicklungs- und Zellbiologie sowie in der Pharmakologie.

• Robbins et al. Calcium imaging analysis – how far have we come? F1000Res. 10:258.2021
• Grienberger et al. Two-photon calcium imaging of neuronal activity. Nature Reviews Methods Primers. 2:67. 2022