Geavanceerde microscopie-gebaseerde cellabelingstechniek voor uitgebreide full-body imaging

Processen en structuren binnen het lichaam die normaal verborgen zijn voor het oog, kunnen zichtbaar gemaakt worden door medische imaging. Wetenschappers gebruiken imaging om de complexe functies van cellen en organen te onderzoeken en zoeken naar manieren om ziekten beter te detecteren en te behandelen. In de dagelijkse medische praktijk helpen beelden uit het lichaam artsen bij het diagnosticeren van ziekten en monitoren of therapieën werken. Om specifieke processen in het lichaam af te beelden, ontwikkelen onderzoekers nieuwe technieken voor het labelen van cellen of moleculen zodat ze signalen emitteren die buiten het lichaam gedetecteerd kunnen worden en omgezet in betekenisvolle beelden. Een onderzoeks team aan de Universiteit van Münster heeft nu een cellabelingsstrategie die momenteel in microscopie gebruikt wordt — de zogenaamde SNAP-tag technologie — aangepast voor gebruik in full-body imaging met positronemissietomografie (PET).

Deze methode labelt cellen in twee stappen die werken voor volledig verschillende celtypes zoals tumoren en inflammatoire cellen. Eerst worden de cellen genetisch gemodificeerd om op hun oppervlak een zogenaamde SNAP-tag enzym te produceren dat uniek is voor de getargete cellen. Het enzym wordt dan in contact gebracht met een geschikte SNAP-tag substraat. Het substraat is gelabeld met een signaal-emitter en chemisch gestructureerd zodat het herkend en gesplitst wordt door het enzym, waardoor de signaal-emitter overgedragen wordt aan het enzym. In het proces wordt het enzym gemodificeerd zodat het niet meer actief is en, als resultaat, blijft de signaal-emitter stevig aan het 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 storen.

In microscopie worden fluorescente kleurstoffen gebruikt om cellen te labelen, maar ze zijn meestal niet geschikt voor full-body imaging omdat hun signalen verstrooid worden door dikkere weefsellaagjes met als resultaat dat ze niet meer gemeten kunnen worden. Om dit probleem op te lossen, synthetiseerden de wetenschappers een nieuwe SNAP-tag substraat met behulp van de radioactieve signaal-emitter fluor-18. Het team heeft met succes tumorcellen in muizen gelabeld door dit substraat in het organisme via de bloedstroom te injecteren. Ze waren toen in staat de tumoren te visualiseren met PET imaging.

Deze technologie opent de perspectief om genetisch gecodeerde cellen in het lichaam te visualiseren met verschillende imaging modaliteiten en op verschillende temporele stadia — de onderzoekers noemen het multi-schaal imaging. Hoewel radioactieve signalen van fluor-18 slechts korte tijd stabiel blijven, kan de tweede labelstap herhaald worden, zodat dezelfde cellen weer en weer over dagen en weken gevisualiseerd kunnen worden.

Het hoge detailniveau dat microscopie biedt maakt het mogelijk om te bestuderen hoe individuele cellen met elkaar communiceren. Het grote plaatje dat full-body imaging biedt stelt wetenschappers in staat om te beoordelen hoe deze cellen functioneren als onderdeel van hele orgelsystemen. Tijd kan onthullen welke rol individuele celtypen spelen in inflammatie, bijvoorbeeld, als het begint, voortduurt en oplost. 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 gebruikt kan worden om cellen die zich in het organisme bewegen te visualiseren — in het bijzonder, immuunsysteem cellen. Als de benadering blijkt succesvol, kan de techniek belangrijk worden voor toekomstig onderzoek naar immunotherapieën waarin de eigen immuuncellen van het lichaam in het laboratorium genetisch gemodificeerd worden zodat ze een specifieke ziekte kunnen bestrijden. Dergelijke therapieën worden al gebruikt voor kankerbehandeling en hebben het potentieel om inflammatoire ziekten te helpen behandelen. Imaging kan helpen dergelijke behandelingen te ontwikkelen en verbeteren.

Toen de wetenschappers hun resultaten voor het eerst presenteerden op een wetenschappelijk symposium, waren ze voor een verrassing — collega's uit Tübingen presenteerden een vergelijkbare studie daar op hetzelfde moment. 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 labelmethoden om immuuncellen in kanker te bestuderen, terwijl het team in Münster zich richt op inflammatoire ziekten, dus het onderzoek complementeert elkaar heel goed.

Als alle SNAP-tag substraten, is het nieuw ontwikkelde molecuul gebaseerd op benzylguanine, waaraan de wetenschappers het radioactieve isotop fluor-18 hechten, dat op zijn beurt ideaal geschikt is voor PET imaging. Het doel was om de synthese in een paar snelle stappen te ontwerpen om zo sterk mogelijk signaal te krijgen. Omdat fluor-18 een korte halfwaarde heeft, wordt de radioactiviteit elke 110 minuten gehalveerd. Initieel vonden de wetenschappers dat het fluor-18 niet aan de gewenste positie op het molecuul hechtte. De benzylguanine was blijkbaar te gevoelig om direct met fluor-18 gelabeld te worden. Dus, de onderzoekers labelden eerst een klein molecuul dat ongevoelig is voor de benodigde chemische reacties — fluoroethylazide — en hechten het daarna aan de benzylguanine met een klikreactie, die heel 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 met het substraat interageerden in de eerste praktische testen in celcultures. In doing so, vergelijkten ze humane tumorcellen waarin ze het SNAP-tag enzym genetisch geïncorgeerd hadden met die die het enzym niet produceerden. Ze konden heel duidelijk zien dat de radioactiviteit alleen opgenomen werd door de cellen die het SNAP-tag enzym produceerden. Ten slotte voerde het team gerichte studies uit op individuele muizen omdat het gedrag van een molecuul in de complexe biologische omgeving in een levend organisme niet volledig gesimuleerd kan worden in celcultuur of met kunstmatig geproduceerde organen. De wetenschappers konden tonen dat zodra het substraat in de bloedstroom geïnjecteerd wordt, het zich heel snel door het lichaam verspreidt. Bovendien identificeerden ze de pathways waardoor het uitgeplast wordt. Ze vergelijkten toen 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 de onderzoek weer verwijderd om de resultaten met autoradiografie te bevestigen.