Durchsichtiger Zebrafisch, neue Bildgebungsmethode rückt Blutstammzellen in hochauflösendes Rampenlicht

Erstmals können Forscher dank Mikroskopie und Zebrafisch einen hochauflösenden Blick auf einzelne Blutstammzellen werfen.

Forscher der University of Wisconsin-Madison und der University of California San Diego haben eine Methode entwickelt, mit der Wissenschaftler eine einzelne Blutstammzelle in einem lebenden Organismus verfolgen und dann die Ultrastruktur oder Architektur derselben Zelle mithilfe der Elektronenmikroskopie beschreiben können. Diese neue Technik wird Forscher bei der Entwicklung von Therapien für Blutkrankheiten und Krebs unterstützen.

„Derzeit untersuchen wir Stammzellen in Geweben mit einer begrenzten Anzahl von Markern und bei niedriger Auflösung, aber uns fehlen so viele Informationen“, sagt Owen Tamplin, Assistenzprofessor am Department of Cell & Regenerative Biology von UW-Madison, Mitglied des Stem Cell & Regenerative Medicine Center und Co-Autor der neuen Studie, die am 9. August veröffentlicht wurde eLife. „Mit unseren neuen Techniken können wir jetzt nicht nur die Stammzelle sehen, sondern auch alle umliegenden Nischenzellen, die in Kontakt stehen.“

Die Nische ist eine Mikroumgebung in Geweben wie dem Knochenmark, die die Blutstammzellen enthalten, die das Blutsystem unterstützen. Die Nische ist dort, wo jede Sekunde spezialisierte Wechselwirkungen zwischen Blutstammzellen und ihren Nachbarzellen stattfinden, aber diese Wechselwirkungen sind schwer zu verfolgen und nicht klar zu verstehen.

Als Teil der neuen Studie identifizierten Tamplin und sein Co-Hauptautor Mark Ellisman, Professor für Neurowissenschaften an der UC San Diego, einen Weg, mehrere Arten von mikroskopischer Bildgebung zu integrieren, um die Nische einer Zelle zu untersuchen. Mit der neu entwickelten Technik, die konfokale Mikroskopie, Röntgenmikroskopie und serielle Blockflächen-Rasterelektronenmikroskopie verwendet, werden Forscher nun in der Lage sein, die einst schwer fassbaren Zell-Zell-Wechselwirkungen zu verfolgen, die in diesem Raum auftreten.

„Dies hat es uns ermöglicht, Zelltypen in der Mikroumgebung zu identifizieren, von denen wir nicht einmal wussten, dass sie mit Stammzellen interagieren, was neue Forschungsrichtungen eröffnet“, sagt Tamplin.

Als Teil dieser Studie identifizierten Tamplin und seine Kollegen, darunter die Co-Erstautoren Sobhika Agarwala und Keunyoung Kim, Dopamin-Beta-Hydroxylase-positive Ganglienzellen, die zuvor ein nicht charakterisierter Zelltyp in der Nische der Blutstammzellen waren. Dies ist von entscheidender Bedeutung, da das Verständnis der Rolle von Neurotransmittern wie Dopamin bei der Regulierung von Blutstammzellen zu verbesserten Therapeutika führen könnte.

„Transplantierte Blutstammzellen werden als heilende Therapie für viele Blutkrankheiten und Krebs eingesetzt, aber Blutstammzellen sind sehr selten und in einem lebenden Organismus schwer zu lokalisieren“, sagt Tamplin. „Das macht es sehr schwierig, sie zu charakterisieren und zu verstehen, wie sie interagieren und sich mit benachbarten Zellen verbinden.“

Während Blutstammzellen in den meisten lebenden Organismen schwer zu lokalisieren sind, bietet die transparente Zebrafischlarve Forschern eine einzigartige Gelegenheit, das Innenleben der Blutstammzellnische leichter zu sehen.

„Das ist das wirklich Schöne am Zebrafisch und die Möglichkeit, die Zellen abzubilden“, sagt Tamplin über die Transparenz des Tieres. „Bei Säugetieren entwickeln sich Blutstammzellen im Uterus im Knochenmark, was es im Grunde unmöglich macht, diese Ereignisse in Echtzeit zu beobachten. Aber beim Zebrafisch kann man tatsächlich zusehen, wie die Stammzelle durch den Kreislauf gelangt, die Nische findet und sich anheftet es, und dann geh hinein und übernachte dort.“

Während die Zebrafischlarve es einfacher macht, die Entwicklung von Blutstammzellen zu sehen, ist eine spezielle Bildgebung erforderlich, um solche kleinen Zellen zu finden und dann ihre Ultrastruktur zu detaillieren. Tamplin und seine Kollegen verbrachten über sechs Jahre damit, diese bildgebenden Verfahren zu perfektionieren. Auf diese Weise konnten sie die Entwicklung einer Blutstammzelle in der Mikroumgebung eines lebenden Organismus in Echtzeit sehen und verfolgen und dann mithilfe der Elektronenmikroskopie noch weiter auf dieselbe Zelle zoomen.

„Zunächst haben wir einzelne fluoreszenzmarkierte Stammzellen durch Lichtblatt- oder konfokale Mikroskopie identifiziert“, sagt Tamplin. „Als nächstes verarbeiteten wir dieselbe Probe für die serielle Blockflächen-Rasterelektronenmikroskopie. Anschließend richteten wir die 3D-Licht- und Elektronenmikroskopie-Datensätze aus. Durch die Überschneidung dieser verschiedenen Bildgebungstechniken konnten wir die Ultrastruktur einzelner seltener Zellen tief im Inneren eines Gewebes sehen. Dies ermöglichte es uns auch, alle umgebenden Nischenzellen zu finden, die mit einer Blutstammzelle in Kontakt stehen. Wir glauben, dass unser Ansatz für die korrelative Licht- und Elektronenmikroskopie in vielen Systemen breit anwendbar sein wird.“

Tamplin hofft, dass dieser Ansatz für viele andere Arten von Stammzellen verwendet werden kann, beispielsweise für solche im Darm, in der Lunge und in der Mikroumgebung von Tumoren, wo seltene Zellen mit Nanometerauflösung charakterisiert werden müssen. Als Entwicklungsbiologe ist Tamplin jedoch besonders gespannt, wie diese Arbeit das Verständnis der Forscher darüber verbessern kann, wie sich die Mikroumgebung der Blutstammzellen bildet.

„Ich denke, das ist wirklich aufregend, weil wir alle unsere Blutstammzellen während der Embryonalentwicklung erzeugen, und je nachdem, welcher Organismus Sie sind, werden ein paar hundert oder vielleicht ein paar tausend dieser Stammzellen am Ende Hunderte von Milliarden von neuem Blut produzieren jeden Tag ein Leben lang Zellen“, sagt Tamplin.

„Aber wir wissen wirklich nicht viel darüber, wie Stammzellen zuerst ihr Zuhause in der Nische finden, wo sie für den Rest des Lebens des Organismus sein werden. Diese Forschung wird uns wirklich helfen zu verstehen, wie sich Stammzellen verhalten und Funktion. Ein besseres Verständnis des Verhaltens von Stammzellen und der Regulation durch umgebende Nischenzellen könnte zu verbesserten stammzellbasierten Therapien führen.“