Winzige Bläschen könnten Geheimnisse von Immunzellen enthüllen und Behandlungen verbessern

Makrophagen sind für das Immunsystem lebenswichtige Zellen und könnten möglicherweise zellbasierte Therapien für eine Vielzahl von Erkrankungen unterstützen. Um jedoch das volle Potenzial von Makrophagen-Therapien auszuschöpfen, müssen wir sehen können, was diese zellulären Verbündeten in unserem Körper tun, und ein Team von Forschern der Penn State University hat möglicherweise eine Möglichkeit entwickelt, ihnen bei ihrer Arbeit zuzusehen.

In einer in der Zeitschrift veröffentlichten Studie KleinForscher der Penn State University berichten über eine neuartige Ultraschall-Bildgebungstechnik zur kontinuierlichen Betrachtung von Makrophagen im Gewebe von Säugetieren, mit Potenzial für eine zukünftige Anwendung beim Menschen.

„Ein Makrophage ist eine Art Immunzelle, die für nahezu jede Funktion des Immunsystems wichtig ist, von der Erkennung und Beseitigung von Krankheitserregern bis hin zur Wundheilung“, sagte der korrespondierende Autor Scott Medina, Associate Professor für biomedizinische Technik bei William und Wendy Korb.

„Es handelt sich um eine Komponente des Immunsystems, die wirklich eine Brücke zwischen den beiden Arten der Immunität bildet: der angeborenen Immunität, die sehr schnell, aber nicht sehr präzise auf Dinge reagiert, und der adaptiven Immunität, die viel langsamer zum Einsatz kommt, aber sehr schnell reagiert.“ viel präziser.

Makrophagen regulieren diese beiden Arme der menschlichen Immunantwort und unterstützen unseren Körper bei Funktionen wie der Bekämpfung von Infektionen und der Geweberegeneration. Andererseits helfen sie auch bei der Linderung von Entzündungen im Zusammenhang mit Verletzungen und Krankheiten wie Diabetes und rheumatoider Arthritis.

Laut Medina könnten diese Zellen genutzt und in Therapien eingesetzt werden, die Patienten mit Erkrankungen wie Krebs, Autoimmunerkrankungen, Infektionen und geschädigtem Gewebe helfen würden. Bei solchen Therapien würden Makrophagen isoliert, verändert und/oder manipuliert, um ihre Eigenschaften zur Bekämpfung von Krankheiten, zur Kontrolle von Immunreaktionen und zur Förderung der Gewebereparatur zu verbessern.

„Wenn wir in Echtzeit visualisieren könnten, was diese Zellen im Körper tun, könnten wir viel darüber lernen, wie Krankheiten fortschreiten und wie Heilung geschieht“, sagte Medina. „Das würde uns eine Vorstellung davon geben, was die Zellen im Körper tun, denn im Moment sind wir wirklich darauf beschränkt, die Zellen aus dem Körper zu nehmen und in einer Petrischale zu sehen, was sie tun, was nicht der Fall sein wird.“ dasselbe Verhalten, das wir im Körper sehen.

Die Forscher wandten sich der Ultraschallbildgebung zu, einer gängigen Technik zur Darstellung des inneren Gewebes des Körpers. Allerdings verschmelzen Makrophagen allein mit Ultraschall mit ihren Mitzellen.

„Makrophagen sind bei der Ultraschallbildgebung grundsätzlich unsichtbar, weil man nicht unterscheiden kann, wo sich die Zellen im Vergleich zu allen anderen Zellen in unserem Gewebe befinden“, sagte Medina. „Sie verhalten sich alle gleich, sodass man bestimmte Zellen nicht wirklich sehen kann. Wir mussten ein sogenanntes Kontrastmittel entwickeln, etwas, mit dem wir unsere interessierenden Zellen beschriften konnten, das dann einen Bildkontrast lieferte, der sich vom Hintergrund unterscheidet.“ Und hier kamen diese Nanoemulsionen ins Spiel.“

Viele Hobbyköche kennen Emulsionen als eine Mischung aus Öltröpfchen, die in einer Flüssigkeit wie Essig oder Wasser suspendiert sind, um ein Salatdressing herzustellen; Bei einer Nanoemulsion handelt es sich um winzige Öltröpfchen mit einem Durchmesser von nur wenigen Nanometern.

Die Forscher nutzten Nanoemulsionen, um widerstandsfähigere Blasen zu erzeugen. Gasblasen reflektieren die Schallwellen eines Ultraschalls sehr effizient; Wenn jemand einem Patienten jedoch Bläschen injiziert, wirken diese nicht besonders gut, da sie relativ schnell platzen.

„Wir brauchten eine Möglichkeit, die Bildung von Blasen genau dann zu erreichen, wenn wir möchten, dass sie sich direkt zum Zeitpunkt der Bildgebung und nicht vorher bilden, und außerdem dafür, dass diese Blasen so lange wie möglich bestehen bleiben“, sagte Inhye Kim, Postdoktorandin im Bereich Biomedizin Ingenieurwesen und Hauptautor der Studie.

Die Forscher brachten Nanoemulsionströpfchen in die Zellen ein, die diese verinnerlichten. Unter Ultraschall durchliefen die Tröpfchen dann einen Phasenwechsel und verwandelten sich in ein Gas und damit in eine Blase. Der Druck der Ultraschallwellen erleichterte diese Veränderung, indem er das Tröpfchen drückte und zog, während die Welle oszilliert und das Tröpfchen mit Druck zum Kochen bringt, wodurch es verdampft und sich in eine Gasblase verwandelt.

„Es ist ähnlich, wie Wasser in einer höheren Lage, beispielsweise in Colorado, bei einer niedrigeren Temperatur kocht, weil dort ein geringerer Druck das Kochen verhindert“, sagte Medina. „Wir nutzen den Druck, den wir durch Ultraschall auf dieses Tröpfchen ausüben, um es effektiv zum Kochen zu bringen, wenn wir es wollen, sodass es dann verdampft und die Bildung dieser Gasblase verursacht.“

Sie testeten diese neuartige Technik in einer Schweinegewebeprobe und stellten fest, dass die Abbildung der Makrophagen funktionierte. Der Ansatz ermöglicht es Forschern, kontinuierlich zu sehen, was Immunzellen im Körper tun, und ermöglicht so ein besseres Verständnis darüber, wie das Immunsystem reguliert wird und welche Rolle es bei der Bekämpfung von Krankheiten spielt, sagte Medina. Darüber hinaus, so Kim, könne es auch dazu beitragen, in Zukunft bessere Immunzelltherapien für Patienten zu entwickeln.

„Zum Beispiel könnte diese Forschung für einen Patienten mit einem Tumor die Entwicklung einer Makrophagen-Zelltherapie ermöglichen, die wirksamer ist und immer weniger schwerwiegende Nebenwirkungen hat“, sagte Kim.

Zu den nächsten Forschungsschritten gehört die Untersuchung der Möglichkeit, diese Technik für andere Arten der Visualisierung von Immunzellen im menschlichen Körper oder zur Überwachung der Plaquebildung in Arterien einzusetzen. Darüber hinaus suchen die Forscher Kooperationspartner, um die Technik voranzutreiben.

„Wir hoffen, mit anderen in der Immunologieforschung zusammenzuarbeiten, die besondere Interessen haben und diese Technologie möglicherweise nützlich finden, daher sind wir auf jeden Fall offen für weitere Kooperationen und Anwendungen“, sagte Medina.