Zellmarkierungsverfahren aus der Mikroskopie, angepasst für die Verwendung in der Ganzkörper-Bildgebung

Prozesse und Strukturen im Körper, die dem Auge normalerweise verborgen bleiben, können durch medizinische Bildgebung sichtbar gemacht werden. Wissenschaftler nutzen die Bildgebung, um die komplexen Funktionen von Zellen und Organen zu untersuchen und nach Wegen zu suchen, Krankheiten besser zu erkennen und zu behandeln. Im medizinischen Alltag helfen Bilder aus dem Körper Ärzten, Krankheiten zu diagnostizieren und zu kontrollieren, ob Therapien anschlagen. Um bestimmte Vorgänge im Körper abbilden zu können, entwickeln Forscher neue Techniken, um Zellen oder Moleküle so zu markieren, dass sie Signale aussenden, die außerhalb des Körpers detektiert und in aussagekräftige Bilder umgewandelt werden können. Ein Forscherteam der Universität Münster hat nun eine derzeit in der Mikroskopie verwendete Zellmarkierungsstrategie – die sogenannte SNAP-Tag-Technologie – für den Einsatz in der Ganzkörperbildgebung mit der Positronen-Emissions-Tomographie (PET) adaptiert.

Diese Methode markiert in zwei Schritten Zellen, die für ganz unterschiedliche Zelltypen wie Tumore und Entzündungszellen funktionieren. Zunächst werden die Zellen genetisch modifiziert, um auf ihrer Oberfläche ein sogenanntes SNAP-Tag-Enzym zu produzieren, das für die Zielzellen einzigartig ist. Das Enzym wird dann mit einem geeigneten SNAP-Tag-Substrat in Kontakt gebracht. Das Substrat wird mit einem Signalgeber markiert und chemisch so strukturiert, dass es vom Enzym erkannt und gespalten wird, wodurch der Signalgeber auf das Enzym übertragen werden kann. Dabei wird das Enzym so verändert, dass es nicht mehr aktiv ist und der Signalgeber dadurch fest daran gekoppelt bleibt. Laut den Forschern markiert sich das SNAP-Tag-Enzym durch seine biologische Aktivität selbst – dies geschieht sehr schnell und ohne die natürlichen Prozesse im Organismus zu stören.

In der Mikroskopie werden Fluoreszenzfarbstoffe zur Markierung von Zellen eingesetzt, für die Ganzkörperbildgebung sind sie jedoch meist nicht geeignet, da ihre Signale an dickeren Gewebeschichten gestreut werden und somit nicht mehr messbar sind. Um dieses Problem zu lösen, synthetisierten die Wissenschaftler mithilfe des radioaktiven Signalgebers Fluor-18 ein neues SNAP-Tag-Substrat. Dem Team ist es gelungen, Tumorzellen in Mäusen zu markieren, indem dieses Substrat über die Blutbahn in den Organismus injiziert wurde. Anschließend konnten sie die Tumore mithilfe der PET-Bildgebung sichtbar machen.

Diese Technologie eröffnet die Perspektive, genetisch kodierte Zellen im Körper mit unterschiedlichen Bildgebungsmodalitäten und in unterschiedlichen zeitlichen Stadien sichtbar zu machen – die Forscher sprechen von Multi-Scale-Imaging. Obwohl radioaktive Signale von Fluor-18 nur für kurze Zeit stabil bleiben, kann der zweite Markierungsschritt wiederholt werden, sodass dieselben Zellen über Tage und Wochen immer wieder sichtbar gemacht werden können.

Durch den hohen Detaillierungsgrad der Mikroskopie lässt sich untersuchen, wie einzelne Zellen miteinander kommunizieren. Die Ganzkörperbildgebung ermöglicht es Wissenschaftlern, zu beurteilen, wie diese Zellen als Teil ganzer Organsysteme funktionieren. Die Zeit kann zeigen, welche Rolle einzelne Zelltypen beispielsweise bei Entzündungen spielen, wenn sie beginnen, andauern und sich auflösen. Die Forscher sagen, dass man durch die Kombination all dieser Informationen verstehen kann, wie alles im Körper miteinander verbunden ist.

Als nächste entscheidende Schritte wird geprüft, wie viele Zellen benötigt werden, um ein ausreichend starkes Signal zu erhalten und ob sich mit der Methode auch Zellen sichtbar machen lassen, die sich im Organismus bewegen – insbesondere Zellen des Immunsystems. Bewährt sich der Ansatz weiterhin, könnte die Technik für die zukünftige Erforschung von Immuntherapien wichtig werden, bei denen körpereigene Immunzellen im Labor gentechnisch so verändert werden, dass sie eine bestimmte Krankheit bekämpfen können. Solche Therapien werden bereits zur Krebsbehandlung eingesetzt und haben das Potenzial, auch bei der Behandlung von Entzündungskrankheiten zu helfen. Bildgebung könnte helfen, solche Behandlungen zu entwickeln und zu verbessern.

Als die Wissenschaftler ihre Ergebnisse zum ersten Mal auf einem wissenschaftlichen Symposium vorstellten, erlebten sie eine Überraschung – Kollegen aus Tübingen stellten dort zeitgleich eine ähnliche Studie vor. Beide Forscherteams hatten unabhängig voneinander die gleiche Grundidee, ein mit Fluor-18 markiertes SNAP-Tag-Substrat. Sie setzten die Idee chemisch anders um, testeten die resultierenden Substrate aber am gleichen biologischen Modellsystem und kamen zu ähnlichen Ergebnissen. Das Tübinger Team entwickelt neue Markierungsmethoden, um Immunzellen bei Krebs zu untersuchen, während sich das Team in Münster auf entzündliche Erkrankungen konzentriert, sodass sich die Forschung sehr gut ergänzt.

Das neu entwickelte Molekül basiert wie alle SNAP-Tag-Substrate auf Benzylguanin, an das die Wissenschaftler das radioaktive Isotop Fluor-18 anhefteten, das sich wiederum hervorragend für die PET-Bildgebung eignet. Ziel war es, die Synthese in wenigen schnellen Schritten zu gestalten, um ein möglichst starkes Signal zu erhalten. Da Fluor-18 eine kurze Halbwertszeit hat, reduziert sich seine Radioaktivität alle 110 Minuten um die Hälfte. Zunächst stellten die Wissenschaftler fest, dass sich das Fluor-18 nicht an der gewünschten Stelle des Moleküls anlagerte. Das Benzylguanin war offenbar zu empfindlich, um direkt mit Fluor-18 markiert zu werden. Also markierten die Forscher zunächst ein kleines Molekül, das für die notwendigen chemischen Reaktionen unempfindlich ist – Fluorethylazid – und befestigten es dann mit einer Klick-Reaktion, die sehr schnell und selektiv ist, an das Benzylguanin.

Die Wissenschaftler überprüften zunächst, ob das synthetisierte Substrat bei Kontakt mit Blut im Reagenzglas stabil blieb und untersuchten dann in ersten Praxistests in Zellkulturen, wie die Zellen mit dem Substrat interagierten. Dabei verglichen sie menschliche Tumorzellen, in die sie das SNAP-Tag-Enzym genetisch eingebaut hatten, mit solchen, die das Enzym nicht produzierten. Sie konnten sehr deutlich sehen, dass die Radioaktivität nur von den Zellen aufgenommen wurde, die das SNAP-Tag-Enzym produzierten. Schließlich führte das Team gezielte Studien an einzelnen Mäusen durch, denn wie sich ein Molekül in der komplexen biologischen Umgebung eines lebenden Organismus verhält, lässt sich in Zellkultur oder mit künstlich hergestellten Organen nicht vollständig simulieren. Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass sich das Substrat, sobald es in die Blutbahn injiziert wurde, sehr schnell im Körper verteilt. Außerdem identifizierten sie die Wege, über die es ausgeschieden wird. Anschließend verglichen sie, wie Tumorzellen mit und ohne SNAP-Tag-Enzym in lebenden Organismen auf das Substrat reagierten. Dazu wurden die Tumorzellen Mäusen unter die Haut injiziert und nach der Untersuchung wieder entfernt, um die Ergebnisse autoradiographisch zu bestätigen.