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Wandernde Immunzellen beobachten: Neue Methode für die vorklinische Forschung

Zellen in BewegungWandernde Immunzellen beobachten: Neue Methode für die vorklinische Forschung

Immunologen und Bildgebungsspezialisten des Exzellenzclusters „Cells in Motion“ haben gemeinsam eine Methode entwickelt, mit der sie die Aktivität von Entzündungszellen in Mäusen besser beurteilen und untersuchen können. Die Studie ist in der Fachzeitschrift „Theranostics“ erschienen.

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Immunzellen (rot) in einer Maus

Es ist ein komplexer und zugleich beeindruckender Prozess, den der Körper bei Entzündungen in Gang setzt. Die Hauptrolle dabei spielen Immunzellen, die sich aus dem Blut ins Gewebe aufmachen, um die Entzündung zu bekämpfen. Sind zu viele dieser Zellen aktiv, können sie umgekehrt aber auch Schaden anrichten. Mehr über ihr Verhalten herauszufinden, kann Wissenschaftlern als Basis dafür dienen, individuelle Entzündungstherapien zu entwickeln – zum Beispiel Zellen zielgerichtet an den Entzündungsherd zu leiten oder eine Therapie rechtzeitig wieder abzusetzen.

Forscherinnen und Forscher des Exzellenzclusters „Cells in Motion“ der Universität Münster haben nun eine Methode entwickelt, mit der sie die Aktivität von Entzündungszellen in Mäusen besser beurteilen und untersuchen können: Sie schafften es, Vorläufer von Immunzellen genetisch zu verändern, anschließend im Reagenzglas zu vermehren und im lebenden Organismus mit verschiedenen Bildgebungsverfahren zeitlich und räumlich zu verfolgen. Dabei arbeiteten Immunologen und Spezialisten für molekulare Bildgebung interdisziplinär zusammen. Mit der neuen Methode können zudem Tierversuche deutlich reduziert werden. Die Studie ist in der Fachzeitschrift „Theranostics“ erschienen.

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Erforschen der Phagozyten-Wanderung
Wenn der Körper einen Infekt abwehrt, sind es zunächst verschiedene Arten von „Fresszellen“, sogenannte Phagozyten, die nacheinander aus den Blutgefäßen ins Gewebe zum Entzündungsherd wandern. Sie erkennen Krankheitserreger, „fressen“ sie und töten sie ab. Unkontrolliert aktiviert können sie andererseits auch dafür verantwortlich sein, dass Krankheiten voranschreiten. Um die Wanderungsmechanismen von verschiedenen Phagozyten zu erforschen, untersuchen Wissenschaftler meist genetisch veränderte Mäuse, die entzündliche Krankheiten aufweisen. Das ist allerdings nicht einfach, da man hierfür eine große Anzahl an Immunzellen benötigt und viele Mäuse als Spendertiere gezüchtet werden müssen.

Mit ihrem neuen Ansatz lösten die Immunologen um Prof. Johannes Roth, Gruppenleiter am Exzellenzcluster, nun dieses Problem: Sie nutzten immortalisierte Vorläufer von Knochenmarkszellen, die Zellen, welche sich im Reagenzglas nahezu unendlich vermehren und unter bestimmten Bedingungen zu Immunzellen ausdifferenzieren. So erhielten die Forscher am Ende eine hohe Anzahl verschiedener Typen von Phagozyten.

„Unser nächstes Ziel war es, genetische Veränderungen der Zellen zu erzeugen, wie sie zum Beispiel bei angeborenen Immundefekten auftreten“, sagt Johannes Roth. Solche Mutationen betreffen häufig Proteine in den Membranen von Immunzellen, die ihnen dabei helfen, zum Entzündungsort zu gelangen. Eines dieser Proteine ist das VLA4. Was genau passiert, wenn es fehlt, können Wissenschaftler aber nur eingeschränkt untersuchen, weil sie die notwendigen Mäusestämme nur sehr schwer züchten können. Auch hierfür fanden die münsterschen Immunologen eine Alternative im Reagenzglas: Sie nutzten das molekularbiologische Verfahren der Genom-Editierung, um mithilfe von Enzymen den für das VLA4 relevanten Genabschnitt in den Knochenmarksvorläuferzellen gezielt „auszuschneiden“ und entsprechende „defekte“ Immunzellen zu erzeugen.

„Durch unsere neue Methode können wir nun erstmals verschiedene Arten von Immunzellen beliebig genetisch verändern und wichtige Entzündungsmechanismen ausschalten“, sagt Dr. Sandra Gran, eine der beiden Erstautorinnen der Studie.

Bildgebung mit optischen und nuklearmedizinischen Verfahren
Die Bildgebungsspezialisten um Nuklearmediziner Prof. Dr. Michael Schäfers, Koordinator des Exzellenzclusters, markierten die so gewonnenen Zellen mit verschiedenen fluoreszierenden Farbstoffen, um sie in lebenden Organismen zu untersuchen – zunächst mit dem optischen Verfahren der Fluoreszenz-Reflektions-Bildgebung. Sie injizierten Mäusen mit einer entzündungsbedingten Hautkrankheit sowohl mutierte als auch gesunde Immunzellen und schafften es, die Wege der Zellen jeweils innerhalb desselben Tiers zu vergleichen. Dadurch konnten sie die Zahlen der Versuchstiere deutlich senken, denn normalerweise müssen für solche vergleichenden Untersuchungen verschiedene Gruppen von Tieren eingesetzt werden.

Die neue Methode funktionierte: „Wir konnten sehr genau beobachten, wie unterschiedlich sich die verschiedenen Immunzellen verhielten. Zum Entzündungsherd schafften es etwa doppelt so viele gesunde Immunzellen im Vergleich zu den genetisch veränderten“, sagt Dr. Lisa Honold, ebenfalls federführende Autorin der Studie. Auf dieselbe Weise untersuchten die Forscher mit ihrem neuen Verfahren noch weitere Zellen, denen andere Membranproteine fehlten.

In einem weiteren Schritt sahen sich die Wissenschaftler wandernde Immunzellen in Mäusen mit einem Herzinfarkt an. Solche Untersuchungen stellen naturgemäß eine große Herausforderung dar, da das Herz tief im Körperinneren liegt und sich beim Pumpen sehr schnell bewegt. Die Forscher nutzten ein nuklearmedizinisches Bildgebungsverfahren, mit dem sie digitale Schnittbilder aus tiefen Gewebeschichten herstellen können: die Einzelphotonen-Emissions-Tomographie, SPECT genannt. Sie markierten die Zellen im Reagenzglas mit einer radioaktiven Substanz, deren Strahlung gemessen und in Bildern sichtbar gemacht werden kann. Nachdem sie die Zellen Mäusen injiziert hatten, untersuchten sie, wo sich die markierten Zellen in verschiedenen Phasen des Infarkts aufhielten. „Durch die serielle Bildgebung können wir nun das Verhalten von Immunzellen über einen langen Zeitraum verfolgen“, sagt Nuklearmediziner Michael Schäfers. Auch das soll dazu führen, die Zahlen der Versuchstiere zu senken, weil herkömmliche molekularbiologische Methoden lediglich Momentaufnahmen liefern und weitaus mehr Experimente erfordern.

Die Wissenschaftler wollen ihre neue Methode auch in Zukunft in präklinischen Untersuchungen anwenden und weiterentwickeln – beispielsweise bei Infektionen, rheumatologischen und arthritischen Erkrankungen. Wann die Ergebnisse für patientenorientierte Anwendungen relevant sind, ist allerdings derzeit noch nicht absehbar.

Förderung
Die Studie entstand im Rahmen eines interdisziplinären Flexible-Funds-Projekts des Exzellenzclusters „Cells in Motion“ der Universität Münster (WWU). Darüber hinaus erhielt sie finanzielle Unterstützung durch die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten WWU-Sonderforschungsbereiche 656 „Molekulare kardiovaskuläre Bildgebung“ und 1009 „Breaking Barriers“ sowie das Interdisziplinäre Zentrum für klinische Forschung der WWU. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung förderte die Studie ebenfalls.

Originalpublikation:

Gran S, Honold L, Fehler O, Zenker S, Eligehausen S, Kuhlmann MT, Geven E, van den Bosch M, van Lent P, Spiekermann C, Hermann S, Vogl T, Schäfers M, Roth J. Imaging, myeloid precursor immortalization, and genome editing for defining mechanisms of leukocyte recruitment in vivo. Theranostics 2018;8: 2407-2423; DOI: 10.7150/thno.23632

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