Wie kann man eine einzelne kranke Zelle in einem intakten Gehirn oder einem menschlichen Herzen aufspüren? Die Suche gleicht der Suche nach der Nadel im Heuhaufen. Die Teams von Ali Ertürk von Helmholtz München und LMU München und Matthias Mann vom Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried bei München haben nun eine neue Technologie namens DISCO-MS entwickelt, die das Problem löst. DISCO-MS verwendet Robotiktechnologie, um Proteomikdaten von „kranken“ Zellen zu erhalten, die in einem frühen Stadium der Krankheit genau identifiziert wurden.
Die meisten Krankheiten verlaufen zunächst asymptomatisch und die Betroffenen fühlen sich in der Regel noch gut – die Symptome sind noch nicht vorhanden oder noch zu mild, um sie zu bemerken. Im Körper ist jedoch bereits eine Veränderung eingetreten: Möglicherweise hat ein Virus begonnen, sich zu replizieren, oder eine abtrünnige Zelle hat sich möglicherweise häufiger geteilt, als sie hätte haben sollen. Doch wie können diese Veränderungen wahrgenommen werden?
Forscher stehen vor einem ähnlichen Dilemma, wenn sie die frühe Entstehung von Krankheiten untersuchen. Selbst bei der Arbeit mit Tiermodellen können Wissenschaftler selten die kleinen Orte der Krankheitsentstehung lokalisieren oder die genauen molekularen Veränderungen charakterisieren, die das Fortschreiten der Krankheit vorantreiben.
Mit der Entwicklung von DISCO-MS durch die Forschungsteams von Ertürk und Mann in Deutschland ist diese Aufgabe viel einfacher geworden. DISCO-MS kombiniert Methoden, um Maus- und menschliches Gewebe transparent zu machen, mit den neuesten Robotik- und Proteomik-Technologien, um ihre molekulare Zusammensetzung zu bestimmen.
DISCO-MS: Transparenz zur Erkennung früher molekularer Veränderungen
DISCO-MS beginnt mit dem sogenannten DISCO-Gewebeclearing, das den Mauskörper oder menschliche Organe transparent macht und damit für die Bildgebung zugänglich macht. Dadurch können fluoreszenzmarkierte Zellen leicht in intakten Geweben spezifischer Stellen unter Verwendung von hochauflösender dreidimensionaler Mikroskopie identifiziert werden.
Sobald die interessierenden Regionen identifiziert wurden, werden sie mit einer neuen Robotertechnologie namens DISCO-bot isoliert, die vom Maschinenbauingenieur Furkan Öztürk, einem Ph.D. Student in Ertürks Labor. Die robotergestützten extrahierten Gewebe werden für ihre Proteomanalyse mit fortschrittlichen Methoden der Massenspektrometrie (MS) verarbeitet, die von Andreas-David Brunner, einem ehemaligen Ph.D. Student in Manns Labor. Dieser High-Tech-Ansatz ermöglicht die vollständige molekulare Charakterisierung beliebiger Geweberegionen, die in 3D in ganzen Mauskörpern oder menschlichen Organen identifiziert wurden.
Früherkennung fängt die Krankheiten ein
Um die Leistungsfähigkeit der Methode zu demonstrieren, wendeten Erstautor Harsharan Singh Bhatia und Kollegen DISCO-MS auf das Mausmodell der Alzheimer-Krankheit (AD) und auf atherosklerotische Plaques (pathologische Verhärtung und Verengung von Blutgefäßen) im menschlichen Herzen an. In den Gewebeproben des AD-Modells setzte das Team künstliche Intelligenz (KI) ein, um die typischen AD-Plaques im Frühstadium der Krankheit zu identifizieren, die mit anderen Methoden nur schwer zu erkennen waren. Nachfolgende proteomische Analysen der Plaques lieferten eine unvoreingenommene und groß angelegte Studie von Proteinen, die von AD betroffen sind, und enthüllten neue molekulare Akteure, die Biomarker für die Alzheimer-Krankheit sein könnten.
Am menschlichen Herzen interessierten sich die Forscher für die Zusammensetzung des Gewebes um atherosklerotische Plaques herum, die nach Gewebereinigung schnell sichtbar waren. Die KI-Erkennung und die Roboterextraktion der Gewebe ermöglichten erneut die Identifizierung von fehlregulierten molekularen Signalwegen in menschlichen Herzzellen im Zusammenhang mit Aortenplaques. Diese Ergebnisse sind Schlüsselerkenntnisse, da sie die Grundlage für potenzielle therapeutische Angriffspunkte bilden.
DISCO-MS ist die erste Spatial-Omics-Technologie in intakten 3D-Volumen und beschleunigt die Untersuchung komplizierter Krankheiten, die von Krebs bis zu Stoffwechselstörungen reichen. Da DISCO-MS mit vorklinischen und klinischen Geweben arbeitet, ermöglicht es die Untersuchung von Krankheiten in ihren frühesten Stadien und anschließend die Entwicklung potenzieller neuer Therapeutika.
Die Arbeit wird in der Zeitschrift veröffentlicht Zelle.
Mehr Informationen:
Harsharan Singh Bhatia et al, Räumliche Proteomik in dreidimensionalen intakten Proben, Zelle (2022). DOI: 10.1016/j.cell.2022.11.021