Wissenschaftler des Europäischen Laboratoriums für Molekularbiologie (EMBL) und des Deutschen Zentrums für Krebsforschung (DKFZ) haben eine neue Methode zur Erstellung von Stoffwechselprofilen einzelner Zellen vorgestellt. Diese Methode, die Fluoreszenzmikroskopie mit einer speziellen Form der Massenspektrometrie kombiniert, kann mehr als hundert Metaboliten und Lipide aus mehr als tausend Einzelzellen pro Stunde analysieren. Die Forscher erwarten, dass die Methode künftig eine Vielzahl biomedizinischer Fragen besser beantworten kann.
Heute richten viele biomedizinische Disziplinen ihre Aufmerksamkeit auf einzelne Zellmetaboliten. Galten sie früher lediglich als Abbauprodukte oder andere Bausteine für die Synthese komplexer Zellmoleküle, sind sie heute dafür bekannt, als Signalmoleküle auch zentrale Zellfunktionen zu unterstützen und zu bestimmen und damit einen wichtigen Beitrag zur Aufrechterhaltung einer gesunden Homöostase der Körper. „Metaboliten modulieren die Epigenetik, regulieren das Immunsystem, kontrollieren Entzündungen und sind damit auch an der Krebsentstehung beteiligt“, sagt Matthias Heikenwalder vom Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ). „Deshalb ist die Metaboliten-Profiling-Analyse in den letzten Jahren in vielen Forschungsdisziplinen in den Fokus des Interesses gerückt.“
Bemerkenswerterweise weisen einzelne Zellen in Organen oder Geweben kein einheitliches Metabolitenprofil auf, sondern zeigen im Gegenteil oft eine deutliche Heterogenität im Gesamterscheinungsbild verschiedener Metaboliten und Lipide. Das individuelle Metabolitenprofil einer Zelle hängt auch von ihrer Lokalisation im Organ ab. Um den Zustand eines Organs oder Gewebes beurteilen zu können, ist es daher erforderlich, das Stoffwechselprofil einer Vielzahl von Einzelzellen zu beurteilen und gleichzeitig deren Lokalisation innerhalb des Gewebeverbundes zu dokumentieren. Mit „SpaceM“ haben Heidelberger Forscher einen innovativen Weg vorgestellt, um diese Analysen im Hochdurchsatz an verschiedenen adhärenten Zellen, insbesondere Hepatozyten, durchzuführen.
Dieses Verfahren basiert auf einer Kombination von fluoreszenzmikroskopischen Aufnahmen und einer speziellen Form der Massenspektrometrie namens MALDI-Imaging (Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization). Mit dieser neuen Methode konnten die Heidelberger Forscher mehr als 100 Metaboliten aus mehr als tausend Einzelzellen pro Stunde nachweisen. Künftig sind sogar Messungen im zellulären Maßstab möglich.
Um die neue Methode zu validieren, untersuchte das Team eine Gruppe menschlicher Hepatozyten, die mit proinflammatorischen Fettsäuren und Zytokinen stimuliert wurden, als In-vitro-Modell für nichtalkoholische Fettlebererkrankungen und nichtalkoholische Steatohepatitis, zwei metastasierende Lebererkrankungen. Sie verwendeten SpaceM, um Metabolitenprofile für fast 30.000 einzelne Zellen zu erhalten. Ein Viertel der Zellen hatte ein deutlich verändertes Talgdrüsenprofil, das eindeutig auf eine als Steatose bekannte entzündliche Veränderung hindeutete. Als diese Zellen mit dem proinflammatorischen Botenstoff IL17A weiter stimuliert wurden, wechselte fast die gesamte Bevölkerung zu einem entzündlichen Phänotyp. Genau diese Abfolge von Veränderungen in der Entwicklung einer entzündlichen Lebererkrankung bei Mäusen konnten Wissenschaftler mit Standard-Messmethoden bestätigen.
„SpaceM bietet neue Möglichkeiten für den räumlichen Einzelzellstoffwechsel. Es ist jedoch kostengünstig und nutzt vorhandene Hardware“, sagt Theodore Alexandrov vom EMBL. Wir gehen davon aus, dass die Open-Source-Methode und die Algorithmen den Einzelzellstoffwechsel weltweit demokratisieren werden, um eine Vielzahl drängender biomedizinischer Fragen zu beantworten. “
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Luca Rappez & Mira Stadler &, Sergio Triana, Rose M.
Wege der Natur 2021, DOI: https: /
Das Deutsche Krebsforschungszentrum (DKFZ) ist mit mehr als 3.000 Mitarbeitern Deutschlands größte biomedizinische Forschungseinrichtung. Mehr als 1.300 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des DKFZ untersuchen die Entstehung von Krebs, identifizieren Krebsrisikofaktoren und erforschen neue Strategien, um Menschen vor einer Krebserkrankung zu schützen. Sie entwickeln neue Wege, um Tumore genauer zu diagnostizieren und Krebspatienten erfolgreicher zu behandeln. Der Krebsinformationsdienst (KID) des DKFZ bietet Patienten, interessierten Bürgern und Experten individuelle Antworten auf alle Fragen rund um das Thema Krebs.
Gemeinsam mit Universitätsklinikpartnern betreibt das DKFZ das Nationale Zentrum für Onkologie (NCT) in Heidelberg und Dresden sowie das Kinderonkologische Zentrum Hopp KiTZ in Heidelberg. Im Deutschen Konsortium für Translationale Krebsforschung (DKTK), einem der sechs Deutschen Zentren für Gesundheitsforschung, unterhält das DKFZ Translationszentren an sieben Partneruniversitätsstandorten. Die Standorte NCT und DKTK verbinden exzellentes Medizinstudium mit der Spitzenforschung des DKFZ. Sie tragen dazu bei, vielversprechende Methoden der Krebsforschung in die Klinik zu bringen und damit die Aussichten von Krebspatienten zu verbessern.
Das DKFZ wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und zu 10 Prozent vom Land Baden-Württemberg gefördert. Das DKFZ ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren.
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