Fortschrittliche mikroskopiebasierte Zellmarkierungstechnik für umfassende Ganzkörper-Bildgebung

Prozesse und Strukturen im Körper, die normalerweise dem Auge verborgen sind, können durch medizinische Bildgebung sichtbar gemacht werden. Wissenschaftler nutzen Bildgebung, um die komplexen Funktionen von Zellen und Organen zu untersuchen und nach Wegen zu suchen, Krankheiten besser zu erkennen und zu behandeln. In der täglichen medizinischen Praxis helfen Bilder aus dem Körper Ärzten, Krankheiten zu diagnostizieren und zu überwachen, ob Therapien wirken. Um spezifische Prozesse im Körper darstellen zu können, entwickeln Forscher neue Techniken zur Markierung von Zellen oder Molekülen, damit sie Signale aussenden, die außerhalb des Körpers detektiert und in aussagekräftige Bilder umgewandelt werden können. Ein Forschungsteam der Universität Münster hat nun eine Zellmarkierungsstrategie, die derzeit in der Mikroskopie verwendet wird – die sogenannte SNAP-Tag-Technologie – für die Ganzkörperbildgebung mit Positronen-Emissions-Tomographie (PET) adaptiert.

Diese Methode markiert Zellen in zwei Schritten, die für völlig unterschiedliche Zelltypen wie Tumore und Entzündungszellen funktionieren. Zunächst werden die Zellen genetisch so modifiziert, dass sie auf ihrer Oberfläche ein sogenanntes SNAP-Tag-Enzym produzieren, das für die Zielzellen einzigartig ist. Das Enzym wird dann mit einem geeigneten SNAP-Tag-Substrat in Kontakt gebracht. Das Substrat ist mit einem Signalgeber markiert und chemisch so strukturiert, dass es vom Enzym erkannt und gespalten wird, wodurch der Signalgeber auf das Enzym übertragen wird. Dabei wird das Enzym so modifiziert, dass es nicht mehr aktiv ist, und als Ergebnis bleibt der Signalgeber fest an ihm gekoppelt. 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 fluoreszierende Farbstoffe zur Zellmarkierung verwendet, aber sie sindmostly nicht für Ganzkörperbildgebung geeignet, da ihre Signale von dickeren Gewebeschichten gestreut werden, sodass sie nicht mehr gemessen werden können. Um dieses Problem zu lösen, synthetisierten die Wissenschaftler ein neues SNAP-Tag-Substrat mit dem radioaktiven Signalgeber Fluor-18. Das Team hat erfolgreich Tumorzellen in Mäusen markiert, indem es dieses Substrat über den Blutstrom in den Organismus injizierte. Sie konnten die Tumore dann mittels PET-Bildgebung visualisieren.

Diese Technologie eröffnet die Aussicht, genetisch kodierte Zellen im Körper mit verschiedenen Bildgebungsmodalitäten und zu verschiedenen zeitlichen Stadien zu visualisieren – die Forscher nennen es Multi-Skalen-Bildgebung. Obwohl radioaktive Signale von Fluor-18 nur kurze Zeit stabil bleiben, kann der zweite Markierungsschritt wiederholt werden, sodass dieselben Zellen immer wieder über Tage und Wochen visualisiert werden können.

Der hohe Detailgrad der Mikroskopie ermöglicht es, zu untersuchen, wie einzelne Zellen miteinander kommunizieren. Der große Überblick der Ganzkörperbildgebung ermöglicht Wissenschaftlern, zu beurteilen, wie diese Zellen als Teil ganzer Organsysteme funktionieren. Die Zeit mag zeigen, welche Rolle einzelne Zelltypen bei Entzündungen spielen, beispielsweise wenn sie beginnen, fortbestehen und abklingen. Die Forscher sagen, dass man durch Kombination all dieser Informationen verstehen kann, wie alles im Körper verbunden ist.

Die nächsten entscheidenden Schritte werden sein, zu testen, wie viele Zellen benötigt werden, um ein ausreichend starkes Signal zu erhalten, und ob die Methode auch zur Visualisierung von Zellen verwendet werden kann, die sich im Organismus bewegen – insbesondere Immunzellen. Wenn sich der Ansatz als erfolgreich erweist, könnte die Technik für zukünftige Forschung zu Immuntherapien wichtig werden, bei denen die körpereigenen Immunzellen im Labor genetisch modifiziert werden, um eine bestimmte Krankheit zu bekämpfen. Solche Therapien werden bereits zur Krebsbehandlung eingesetzt und haben das Potenzial, auch bei 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 präsentierten dort zur gleichen Zeit eine ähnliche Studie. Unabhängig voneinander hatten beide Forschungsteams dieselbe fundamentale Idee, ein SNAP-Tag-Substrat markiert mit Fluor-18. Chemisch gesehen setzten sie die Idee unterschiedlich um, testeten die resultierenden Substrate jedoch mit demselben biologischen Modellsystem und gelangten zu ähnlichen Ergebnissen. Das Tübinger Team entwickelt neue Markierungsmethoden zur Untersuchung von Immunzellen im Krebs, während das Münsteraner Team sich auf Entzündungskrankheiten konzentriert, sodass die Forschung sich sehr gut ergänzt.

Wie alle SNAP-Tag-Substrate basiert das neu entwickelte Molekül auf Benzylguanin, an das die Wissenschaftler das radioaktive Isotop Fluor-18 anhängten, das wiederum ideal für PET-Bildgebung geeignet ist. Ziel war es, die Synthese in wenigen schnellen Schritten zu gestalten, um so stark ein Signal wie möglich zu erhalten. Da Fluor-18 eine kurze Halbwertszeit hat, halbiert sich seine Radioaktivität alle 110 Minuten. Zunächst stellten die Wissenschaftler fest, dass Fluor-18 nicht an die gewünschte Position am Molekül andockte. Das Benzylguanin war offenbar zu empfindlich, um direkt mit Fluor-18 markiert zu werden. Also markierten die Forscher zuerst ein kleines Molekül, das unempfindlich gegen die notwendigen chemischen Reaktionen ist – Fluoretylazid – und banden es dann per Klick-Reaktion, die sehr schnell und selektiv ist, an das Benzylguanin.

Die Wissenschaftler prüften zuerst, ob das synthetisierte Substrat stabil bleibt, wenn es im Reagenzglas mit Blut in Kontakt kommt, und untersuchten dann, wie die Zellen in ersten praktischen Tests in Zellkulturen 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, weil sich das Verhalten eines Moleküls in der komplexen biologischen Umgebung eines lebenden Organismus nicht vollständig in Zellkultur oder mit künstlich erzeugten Organen simulieren lässt. Die Wissenschaftler konnten zeigen, dass das Substrat nach der Injektion in den Blutstrom sehr schnell im Körper verteilt wird. Zudem identifizierten sie die Ausscheidungspfade. Dann verglichen sie, wie Tumorzellen mit und ohne SNAP-Tag-Enzym in lebenden Organismen auf das Substrat reagierten. Dazu wurden die Tumorzellen unter die Haut von Mäusen injiziert und nach der Untersuchung wieder entfernt, um die Ergebnisse mit Autoradiographie zu bestätigen.