Um eine Pandemie zu bekämpfen, muss die Wissenschaft schnell handeln. Mit sicheren und wirksamen Impfstoffen, die jetzt weit verbreitet sind, und einer Handvoll vielversprechender COVID-19-Behandlungen, die bald auf den Markt kommen, besteht kein Zweifel daran, dass viele Aspekte der biologischen Forschung in den letzten zwei Jahren erfolgreich beschleunigt wurden.
Jetzt haben Forscher des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) und der Universität Heidelberg in Deutschland die Bildgebung infizierter Zellen mit der weichen Röntgentomographie beschleunigt, einer mikroskopischen Bildgebungstechnik, die unglaublich detaillierte, dreidimensionale Scans erzeugen kann.
Ihr Ansatz benötigt nur wenige Minuten, um Daten zu sammeln, die mit anderen Methoden wochenlange Vorbereitung und Analyse erfordern würden, und gibt Wissenschaftlern eine einfache Möglichkeit, schnell zu untersuchen, wie die interne Maschinerie unserer Zellen auf SARS-CoV-2 oder andere Krankheitserreger reagiert und wie die Zellen sprechen auf Medikamente an, die zur Behandlung der Infektion entwickelt wurden.
„Wenn man vor unserer Bildgebungstechnik wissen wollte, was in einer Zelle vor sich geht und welche Veränderungen bei einer Infektion aufgetreten sind, musste man die Zellen fixieren, in Scheiben schneiden und anfärben um sie durch Elektronenmikroskopie zu analysieren. Mit all den erforderlichen Schritten würde es Wochen dauern, um die Antwort zu erhalten. Wir können es an einem Tag erledigen“, sagte Carolyn Larabell, Co-Leiterin des Projekts, Fakultätswissenschaftlerin des Berkeley Lab im Bereich Biowissenschaften. „So beschleunigt es wirklich den Prozess der Untersuchung von Zellen, die Folgen einer Infektion und die Folgen der Behandlung eines Patienten mit einem Medikament, das die Krankheit heilen oder verhindern kann.“
Aufnehmen von zellularen Standbildern
Larabell ist Professor für Anatomie an der UC San Francisco und Direktor des National Center for X-Ray Tomography, einer Einrichtung, die an der Advanced Light Source (ALS) des Berkeley Lab angesiedelt ist. Die Mitarbeiter der Einrichtung entwickelten Anfang der 2000er Jahre die Soft-X-Ray-Tomographie (SXT), um die Lücken zu schließen, die andere zelluläre Bildgebungsverfahren hinterlassen haben. Sie bieten derzeit den SXT Ermittlern weltweit an und verfeinern den Ansatz weiter. Im Rahmen einer Ende letzten Jahres in Cell Reports Methods veröffentlichten Studie führten sie und drei Kollegen SXT an menschlichen Lungenzellproben durch, die von ihren Kollegen an der Universität Heidelberg und dem Deutschen Zentrum für Infektionsforschung hergestellt wurden.
Unter der Leitung des Virologen Ralf Bartenschlager und der Physikerin Venera Weinhardt infizierte das deutsche Team die Zellen vorsichtig mit SARS-CoV-2 und fixierte sie dann chemisch mit Verbindungen auf Aldehydbasis – ein Prozess, der Zellen tötet und sie immobilisiert in ihrem letzten lebenden Zustand erhält ( und inaktiviert auch alle verbleibenden Viruspartikel) – 6 und 24 Stunden nach der Infektion.
Das gesamte Team war begeistert, als die resultierenden 3D-Bilder trotz der chemischen Fixierung der Zellen das gleiche Maß an exquisiten Details und Klarheit aufwiesen, für das SXT bekannt ist. Die Erkenntnis ist, dass ihr Ansatz es vielen Labors ermöglichen wird, infizierte Zellen sicher abzubilden, ohne die inhärenten Risiken – und die entsprechenden erforderlichen Sicherheitsprotokolle – der Arbeit mit lebenden infizierten Zellen.
„Das ist ein wirklich wichtiger Punkt, weil es viele gefährliche Organismen gibt, die Menschen nicht untersuchen können, weil nicht jeder ein BSL-3-Labor (Biosafety Level 3) hat“, erklärte Larabell. „Niemand im Berkeley Lab zum Beispiel ist in der Lage, diese Zellen in seinem Labor wachsen zu lassen. Es öffnet also die Türen für viele Experimente mit Krankheitserregern, die wir uns vorher nicht vorstellen konnten.“
Jian-Hua Chen und Valentina Loconte, Wissenschaftler in Larabells Gruppe, führten die Tomographiesitzungen bzw. die Bildanalyse am Nationalen Zentrum für Röntgentomographie durch. Beide waren angenehm überrascht zu sehen, wie SXT Veränderungen an verschiedenen Organellen innerhalb der Lungenzellen mit sehr hoher Auflösung nach sehr geringem Zeitaufwand für die Probenvorbereitung und ohne Verwendung von Farbstoffen oder Markierungen erfasste. Diese zusätzlichen Schritte sind häufig erforderlich, um Zellkarten zu erzeugen, in denen die verschiedenen internen Komponenten leicht unterscheidbar sind.
„Ein Detail, das mich beeindruckt hat, war das Vorhandensein dieses großen Membrankompartiments, mit dem die Zelle wahrscheinlich versucht, alle viralen Fortpflanzungsmaschinen zu recyceln oder zu entfernen“, sagte Loconte, ein Postdoktorand. Sie stellte fest, dass die Bilder die Entwicklung dieses besonderen Kompartiments in fast allen untersuchten infizierten Zellen zeigten. „Durch unsere Technik wurde es wirklich deutlich hervorgehoben. Wenn wir zum Beispiel die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) verwendet hätten, hätte es so viel länger gedauert, ein einzelnes Organell auf diese Weise zu verfolgen“, weil Wissenschaftler, die TEM verwenden, die Zellen schneiden müssen, Analysieren Sie jede einzelne Scheibe unabhängig voneinander und rekonstruieren Sie dann den Bereich, sagte sie.
Verbreitung der Neuigkeiten
Nachdem sie nun das Potenzial der Verwendung von Ganzzell-SXT zur sicheren Abbildung virusinfizierter Zellen demonstriert haben, glauben die Autoren, dass ihre Ergebnisse der globalen wissenschaftlichen Gemeinschaft helfen werden, COVID-19 und möglicherweise andere Krankheiten zu untersuchen.
Inzwischen setzen Larabell, Weinhardt und Bartenschlager die Technik bereits erfolgreich ein. Im Rahmen seiner Funktion am Deutschen Zentrum für Infektionsforschung haben Bartenschlager und sein Team damit begonnen, Ganzzell-SXT zu verwenden, um zu untersuchen, wie menschliche Zellen auf mehrere experimentelle COVID-19-Behandlungsmedikamente reagieren. Sie hoffen, dass die schnelle Bereitstellung von Ergebnissen dazu beitragen wird, den Arzneimittelentwicklungsprozess zu beschleunigen und zusätzliche wirksame Behandlungen früher auf den Markt zu bringen. Sie planen auch, die Technologie einzusetzen, um den Verlauf von Infektionen zu verstehen, die durch andere virale Erreger verursacht werden.
„Als Mikroskopiker sagen wir oft: ‚Sehen ist Glauben.‘ Es gibt jedoch noch viele Unbekannte, die wir erforschen müssen, um die Komplexität der Virus-Wirt-Interaktionen besser zu verstehen.Dies erfordert die Abbildung einer großen Anzahl von Zellen, um statistisch signifikante Informationen zu erhalten, angesichts der Unterschiede zwischen infizierten Zellen, die wir beobachtet haben “, sagte Chen. „SXT bietet der Gemeinschaft eine sehr gute Gelegenheit, zu beobachten und zu untersuchen, was passiert, nachdem menschliche Zellen mit Viren infiziert wurden. Ich hoffe, dass dies ein Fenster öffnet, um kritische Fragen auf dem Gebiet der Virologie zu beantworten.“