Umfassende Nachverfolgung von Zellkontakten in vivo

In mehrzelligen Lebensformen, von Würmern bis zum Menschen, ist die Kommunikation zwischen Zellen essentiell für die richtige Entwicklung und Erhaltung des Körpers. Jede Zelle ist mit einer Vielzahl von Rezeptoren ausgestattet, die physikalische Interaktionen an der Zelloberfläche in den Zellkern weiterleiten, was zu einer molekularen und in der Folge oft phänotypischen Veränderung der Zelle führen kann. Interaktionen mit Zellen in ihrer Umgebung beeinflussen auch das Verhalten erkrankter Zellen (einschließlich Krebszellen), und diese Zellen wiederum beeinflussen ihre Umgebung. Es bleibt bis dato jedoch schwierig, Zellinteraktionen und daraus resultierende zelluläre Änderungen im großen Umfang und in einer natürlichen Umgebung zu untersuchen. Um diese Hürde zu überwinden, werden wir die neuesten Entwicklungen in den Bereichen synthetische Biologie, Mikrofluidik, In-vivo-Bildgebung und computerunterstützter Analysen für die umfassende Nachverfolgung von Zellkontakten einsetzen (englisch: Comprehensive Cell Contact Tracing, C3T).Unter Verwendung von Zebrafischen als experimentell zugängliches Modellsystem, werden wir Zellen gentechnisch so verändern, dass ausgewählte Zellkontakte eine Reaktion auslösen, die eine molekulare Aufzeichnung dieser Interaktionen ermöglicht. Eine Auslöserzelle trägt einen Aktivator für dieses System. Dadurch werden Kontakte mit dieser Auslöserzelle (und nur mit dieser Zelle) in allen interagierenden Zellen eingraviert und somit Zellkontakte im gesamten Zebrafisch-Organismus unter dem Mikroskop oder mit molekularen Hochdurchsatztechnologien ersichtlich. In unserem Pilotprojekt werden wir C 3T verwenden, um die Interaktionen von Tumorzellen auf ihrem Weg durch den Körper bei der Bildung von Metastasen zu verfolgen. Metastasen sind die häufigste Ursache für krebsbedingte Todesfälle, ihre Entstehung ist jedoch schwer außerhalb der Endpunkte (also dem Primärtumor und den Metastasen) zu untersuchen. Das C3T System ermöglicht einen völlig neuen Ansatz zur Erforschung der transienten Phasen dieses Prozesses (Mobilisierung, Auswanderung etc.). In Zukunft kann unser Ansatz auch auf andere Modellorganismen und Fragestellungen übertragen werden.

In mehrzelligen Lebensformen, von Würmern bis zum Menschen, ist die Kommunikation zwischen Zellen essentiell für die richtige Entwicklung und Erhaltung des Körpers. Jede Zelle ist mit einer Vielzahl von Rezeptoren ausgestattet, die physikalische Interaktionen an der Zelloberfläche in den Zellkern weiterleiten, was zu einer molekularen und in der Folge oft phänotypischen Veränderung der Zelle führen kann. Interaktionen mit Zellen in ihrer Umgebung beeinflussen auch das Verhalten erkrankter Zellen (einschließlich Krebszellen), und diese Zellen wiederum beeinflussen ihre Umgebung. Es bleibt bis dato jedoch schwierig, Zellinteraktionen und daraus resultierende zelluläre Änderungen im großen Umfang und in einer natürlichen Umgebung zu untersuchen. Um diese Hürde zu überwinden, haben wir versucht, ein System zur umfassenden Zellkontaktverfolgung ("Comprehensive Cell Contact Tracing", C3T) zu implementieren. Wir arbeiteten mit Zebrafischen, einem experimentell sehr zugänglichem Modellorganismus, und erzeugten neue Fischstämme, die die molekulare Aufzeichnung von Zell-Zell-Interaktionen zwischen "Senderzellen" (für die wir menschliche Krebszelllinien verwendeten) und "Empfängerzellen" (alle Zebrafischzellen) ermöglichten. Interaktionen zwischen diesen Zellen sollten die Expression fluoreszierender Proteine auslösen, die es ermöglichen würden, sie unter dem Mikroskop sichtbar zu machen und detaillierte molekulare Folgestudien durchzuführen. Erste Versuche, das C3T-System mit veröffentlichten Methoden zu implementieren, führten bei Zebrafischen zu unbefriedigenden Ergebnissen: Entweder führten Zellkontakte zu keiner zuverlässigen Reaktion oder die Fluoreszenz, die nur kontaktierte Zellen markieren sollte, erwies sich als nicht spezifisch genug. In umfangreichen Optimisierungsexperimenten, testeten und evaluierten wir verschiedene alternative genetische Konstrukte, mit denen wir Komponenten des Systems umgestalteten und die neuesten Durchbrüche in der Community nutzten, allerdings mit begrenztem Erfolg. In der letzten Projektphase erzielten wir schließlich vielversprechende Ergebnisse mit einem neuen Prototypensystem, das nun die Grundlage für weitere Experimente bildet. Während der Laufzeit unseres Projekts, hat sich das Gebiet erheblich weiterentwickelt und mehrere neue Systeme und Anwendungen wurden in der wissenschaftlichen Literatur veröffentlicht. Dies verdeutlicht das große Interesse und Potenzial der Technologie, die sich nicht nur auf die Verfolgung von Zellkontakten beschränkt, sondern sogar die Aktivierung kontaktspezifischer Zellreaktionen ermöglichen könnte. Dies könnte eine wichtige Basistechnologie für zukünftige Generationen der interventionellen Medizin sein.