Cellabelingmethode van microscopie aangepast voor gebruik in beeldvorming van het hele lichaam

Processen en structuren in het lichaam die normaal voor het oog verborgen zijn, kunnen door middel van medische beeldvorming zichtbaar worden gemaakt. Wetenschappers gebruiken beeldvorming om de complexe functies van cellen en organen te onderzoeken en te zoeken naar manieren om ziekten beter op te sporen en te behandelen. In de dagelijkse medische praktijk helpen beelden van het lichaam artsen om ziekten te diagnosticeren en te controleren of therapieën werken. Om specifieke processen in het lichaam in beeld te kunnen brengen, ontwikkelen onderzoekers nieuwe technieken om cellen of moleculen te labelen, zodat ze signalen uitzenden die buiten het lichaam kunnen worden gedetecteerd en omgezet in betekenisvolle beelden. Een onderzoeksteam van de Universiteit van Münster heeft nu een cellabelingstrategie aangepast die momenteel wordt gebruikt in microscopie - de zogenaamde SNAP-tag-technologie - voor gebruik in beeldvorming van het hele lichaam met positronemissietomografie (PET).

Deze methode labelt cellen in twee stappen die werken voor totaal verschillende celtypes zoals tumoren en ontstekingscellen. Ten eerste worden de cellen genetisch gemodificeerd om op hun oppervlak een zogenaamd SNAP-tag-enzym te produceren dat uniek is voor de beoogde cellen. Het enzym wordt vervolgens in contact gebracht met een geschikt SNAP-tag-substraat. Het substraat is gelabeld met een signaalzender en is chemisch gestructureerd zodat het wordt herkend en gesplitst door het enzym, waardoor de signaalzender naar het enzym kan worden overgebracht. Daarbij wordt het enzym zodanig gemodificeerd dat het niet meer actief is en als gevolg daarvan blijft de signaalgever er stevig aan gekoppeld. Volgens de onderzoekers labelt het SNAP-tag-enzym zichzelf door zijn biologische activiteit - dit gebeurt heel snel en zonder de natuurlijke processen in het organisme te verstoren.

In microscopie worden fluorescerende kleurstoffen gebruikt om cellen te labelen, maar ze zijn meestal niet geschikt voor beeldvorming van het hele lichaam omdat hun signalen worden verstrooid door dikkere weefsellagen, waardoor ze niet meer kunnen worden gemeten. Om dit probleem op te lossen, synthetiseerden de wetenschappers een nieuw SNAP-tag-substraat met behulp van de radioactieve signaalzender fluor-18. Het team is erin geslaagd tumorcellen bij muizen te labelen door dit substraat via de bloedbaan in het organisme te injecteren. Vervolgens konden ze de tumoren visualiseren met behulp van PET-beeldvorming.

Deze technologie opent het vooruitzicht om genetisch gecodeerde cellen in het lichaam te visualiseren met verschillende beeldvormende modaliteiten en in verschillende temporele stadia - de onderzoekers noemen het multi-scale imaging. Hoewel radioactieve signalen van fluor-18 slechts een korte tijd stabiel blijven, kan de tweede stap van het labelen worden herhaald, zodat dezelfde cellen gedurende dagen en weken keer op keer kunnen worden gevisualiseerd.

Het hoge detailniveau van microscopie maakt het mogelijk om te bestuderen hoe individuele cellen met elkaar communiceren. Het grote beeld dat wordt geboden door beeldvorming van het hele lichaam stelt wetenschappers in staat om te beoordelen hoe deze cellen functioneren als onderdeel van hele orgaansystemen. De tijd kan onthullen welke rol individuele celtypen spelen bij ontstekingen, bijvoorbeeld wanneer het begint, voortduurt en verdwijnt. De onderzoekers zeggen dat door al deze informatie te combineren, men kan begrijpen hoe alles in het lichaam met elkaar verbonden is.

De volgende cruciale stappen zullen zijn om te testen hoeveel cellen nodig zijn om een ​​voldoende sterk signaal te verkrijgen en of de methode ook kan worden gebruikt om cellen te visualiseren die zich binnen het organisme bewegen - in het bijzonder cellen van het immuunsysteem. Als de aanpak succesvol blijft, kan de techniek belangrijk worden voor toekomstig onderzoek naar immuuntherapieën waarbij lichaamseigen immuuncellen in het laboratorium genetisch worden gemodificeerd om een ​​specifieke ziekte te bestrijden. Dergelijke therapieën worden al gebruikt voor de behandeling van kanker en kunnen ook helpen bij de behandeling van ontstekingsziekten. Beeldvorming kan helpen bij het ontwikkelen en verbeteren van dergelijke behandelingen.

Toen de wetenschappers hun resultaten voor het eerst presenteerden op een wetenschappelijk symposium, stonden ze voor een verrassing - collega's uit Tübingen presenteerden daar tegelijkertijd een soortgelijk onderzoek. Onafhankelijk van elkaar hadden beide onderzoeksteams hetzelfde fundamentele idee, een SNAP-tag substraat gelabeld met fluor-18. Chemisch gezien implementeerden ze het idee anders, maar ze testten de resulterende substraten met hetzelfde biologische modelsysteem en kwamen tot vergelijkbare bevindingen. Het Tübingen-team ontwikkelt nieuwe labelingsmethoden om immuuncellen bij kanker te bestuderen, terwijl het team in Münster zich richt op ontstekingsziekten, dus het onderzoek vult elkaar goed aan.

Zoals alle SNAP-tag-substraten, is het nieuw ontwikkelde molecuul gebaseerd op benzylguanine, waaraan de wetenschappers de radioactieve isotoop fluor-18 hebben bevestigd, die op zijn beurt bij uitstek geschikt is voor PET-beeldvorming. Het doel was om de synthese in een paar snelle stappen te ontwerpen om een ​​zo sterk mogelijk signaal te krijgen. Omdat fluor-18 een korte halfwaardetijd heeft, wordt de radioactiviteit na elke 110 minuten gehalveerd. Aanvankelijk ontdekten de wetenschappers dat de fluor-18 niet hechtte aan de gewenste positie op het molecuul. De benzylguanine was blijkbaar te gevoelig om direct met fluor-18 te worden gemerkt. Dus labelden de onderzoekers eerst een klein molecuul dat ongevoelig is voor de noodzakelijke chemische reacties - fluorethylazide - en bevestigden het vervolgens aan de benzylguanine met behulp van een klikreactie, die erg snel en selectief is.

De wetenschappers controleerden eerst of het gesynthetiseerde substraat stabiel bleef bij contact met bloed in de reageerbuis en onderzochten vervolgens hoe de cellen interageerden met het substraat in de eerste praktijktesten in celculturen. Daarbij vergeleken ze menselijke tumorcellen waarin ze het SNAP-tag-enzym genetisch hadden ingebouwd, met cellen die het enzym niet aanmaakten. Ze konden heel duidelijk zien dat de radioactiviteit alleen werd opgenomen door de cellen die het SNAP-tag-enzym produceerden. Ten slotte voerde het team gerichte studies uit op individuele muizen, omdat hoe een molecuul zich gedraagt ​​in de complexe biologische omgeving in een levend organisme niet volledig kan worden gesimuleerd in celcultuur of met kunstmatig geproduceerde organen. De wetenschappers konden aantonen dat zodra het substraat in de bloedbaan is geïnjecteerd, het zich zeer snel door het lichaam verspreidt. Bovendien identificeerden ze de routes waardoor het wordt uitgescheiden. Vervolgens vergeleken ze hoe tumorcellen met en zonder het SNAP-tag-enzym reageerden op het substraat in levende organismen. Hiervoor werden de tumorcellen onder de huid van muizen geïnjecteerd en na het onderzoek weer verwijderd om de resultaten met autoradiografie te bevestigen.