Zehnmal mehr Proteine visualisieren

Neue Imagingmethode für die Analyse von Zellproben

Schweizer Forscher haben eine neue Analysemethode entwickelt, die zehn Mal mehr Proteine pro Probe visualisieren und damit eine umfassende Karte der Zellorganisation samt unterschiedlicher Entwicklungsstadien generieren kann.

4i ist das erste bildgebende Verfahren, das eine enorm vielschichtige Ansicht und multiplexierte Informationen auf Gewebe-, Zell- und Organell-Ebene verbindet. © UZH

Forscher der Universität Zürich haben eine neuartige Methode zur Untersuchung von Zellen und ihren Bestandteilen entwickelt, die sogenannte 4i ("Iterative Indirect Immunofluorescence Imaging» (4i). Diese Innovation verfeinert die in der Biomedizin übliche Analysemethode der Immunfluoreszenz um ein Vielfaches und ermöglicht, innerhalb einer Probe enorme Datenvolumen zu gewinnen. Mit 4i lässt sich die räumliche Verteilung von mindestens 40 Proteinen und deren Veränderungen in derselben Zelle gleichzeitig für Hunderttausende von Zellen beobachten. Und zwar auf verschiedenen Ebenen – vom Zellgewebe bis zu den Zellorganellen.

Zehn Mal mehr Proteine gleichzeitig visualisieren
"4i ist das erste bildgebende Verfahren, das eine enorm vielschichtige Ansicht von biologischen Proben ermöglicht. Zum ersten Mal können wir multiplexierte Informationen, die auf Gewebe-, Zell- und Organell-Ebene gewonnen werden, in ein und demselben Experiment miteinander verbinden", sagt Gabriele Gut, Hauptautor und Postdoktorand am Institute of Molecular Life Sciences der UZH.

Die Technik der Immunfluoreszenz verwendet Antikörper, um Proteine von biologischen Proben sichtbar zu machen und zu lokalisieren. Während mit der herkömmlichen Immunfluoreszenz in der Regel gleichzeitig drei Eiweiße markiert werden, ist 4i mit handelsüblichen Antikörpern und konventionellen Fluoreszenzmikroskopen in der Lage, durch schrittweise Applizierung und Wieder-Entfernung von Antikörpern zehn Mal mehr Proteine in derselben Probe gleichzeitig zu visualisieren. Gabriele Gut: "Stellen Sie sich vor, Zellbiologen wären Journalisten. Jedes Experiment ist ein Interview mit unseren Zellen. Mit konventioneller Immunfluoreszenz kann ich drei Fragen stellen, mit 4i kann ich eine Diskussion über mehr als 40 Themen führen."

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Karte gibt systematische Übersicht über die Zelllandschaft
Sind die Daten erfasst, muss die riesige Menge auch analysiert werden können – die nächste Hürde für die Forschenden. "Wir generierten Bilder mit subzellulärer Auflösung für Tausende von Zellen über 40 Kanäle für mehr als 10 verschiedene Bedingungen. Das menschliche Auge und das Gehirn können die mithilfe von 4i gesammelte biologische Komplexität nicht mehr verarbeiten."

Um die 4i-Daten vollständig zu nutzen, entwickelte Gabriele Gut ein neues Analyse- und Visualisierungsprogramm namens "Multiplexed Protein Maps". Dieses ermittelt das Multiplex-Fluoreszenzsignal für Millionen von Pixeln und erzeugt damit eine abstrakte, aber repräsentative Karte der Verteilung dutzender verschiedener Proteinen in der Zelle. Die Forscher erstellten damit eine systematische Übersicht über die Zelllandschaft: Es gelang ihnen, die räumliche intrazelluläre Organisation der meisten Säugetierorganellen während der verschiedenen Stadien des Zellzyklus’ sowie in verschiedenen Mikroumgebungen darzustellen.

Die personalisierte Medizin vorantreiben
Die Anwendungen für 4i und Multiplex-Proteinkarten sind vielfältig. Sie reichen von der Grundlagenforschung bis zur personalisierten Medizin. "Wir hoffen, dass 4i und Multiplex-Proteinkarten den Forschenden helfen werden, Prozesse besser zu verstehen, die seit Jahren im Zentrum des Interesses der biologischen Forschung stehen", sagt Gut. Gleichzeitig wollen die Forscher mit diesen Technologien die personalisierte Medizin vorantreiben, insbesondere für die Diagnose und Therapie von Krebs.

Bereits Anwendung in der Tumortherapie
Die neue Analysemethode kann auch ermitteln, wie sich pharmakologische Substanzen auf die Organisation und Physiologie der Zellen auswirken. Sie wird derzeit in einer translationalen Forschungszusammenarbeit mit Klinikern und einem Pharmaunternehmen eingesetzt, um die Behandlung von Krebspatienten zu verbessern. Das Forscherteam um Lucas Pelkmans, Professor am Institute of Molecular Life Sciences der UZH, charakterisiert in einem experimentellen Rahmen Tumorzellen von Patienten, die mit verschiedenen Krebsmedikamenten behandelt wurden.

Die Wissenschaftler hoffen, dass die Ergebnisse aus dem Labor Informationen liefern, um in der Klinik die Entscheidungen für die individuelle Behandlung von Patienten zu unterstützen. Darüber hinaus wollen die Forschenden mit 4i und Multiplex-Proteinkarten Gewebeschnitte von Tumoren untersuchen, um relevante Biomarker zu identifizieren und so die Diagnose und Prognose von Krebspatienten zu verbessern.

Publikation zur Methode:
Gabriele Gut, Markus D. Herrmann, Lucas Pelkmans: Multiplexed protein maps link subcellular organization to cellular states; Science, 3 August 2018. DOI: 10.1126/science.aar7042

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