Eine neue Möglichkeit, Hirntumor auf nanoskaliger Ebene sichtbar zu machen

Forscher des Brigham and Women’s Hospital und des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben mithilfe einer neuen Mikroskopietechnologie namens „Decrowding Expansion Pathology“ (dExPath) beispiellos detaillierte Bilder von Hirntumorgewebe enthüllt. Ihre Ergebnisse: veröffentlicht In Wissenschaftliche translationale Medizinliefern neue Einblicke in die Entstehung von Hirntumoren mit potenziellen Auswirkungen auf die Weiterentwicklung der Diagnose und Behandlung aggressiver neurologischer Erkrankungen.

„In der Vergangenheit haben wir uns auf teure, hochauflösende Mikroskope verlassen, die sich nur sehr gut ausgestattete Labore leisten konnten, für deren Verwendung eine spezielle Schulung erforderlich war und die für Hochdurchsatzanalysen von Hirngewebe auf molekularer Ebene oft unpraktisch waren“, sagte er Pablo Valdes, MD, Ph.D., ein Absolvent der Neurochirurgie am Brigham und Hauptautor der Studie. „Diese Technologie bringt zuverlässige, hochauflösende Bildgebung in die Klinik und ermöglicht es Wissenschaftlern, neurologische Erkrankungen auf einem noch nie dagewesenen Nanomaßstab an herkömmlichen klinischen Proben mit herkömmlichen Mikroskopen zu untersuchen.“

Früher verließen sich Forscher auf kostspielige, superhochauflösende Mikroskope, um nanoskalige Strukturen in Zellen und Gehirngewebe abzubilden, und selbst mit der fortschrittlichsten Technologie hatten sie oft Schwierigkeiten, diese Strukturen auf nanoskaliger Ebene effektiv zu erfassen.

Ed Boyden, Ph.D., Y. Eva Tan-Professor für Neurotechnologie am MIT und Co-Hauptautor dieser Studie, begann, dieses Problem anzugehen, indem er Gewebe markierte und sie dann chemisch modifizierte, um eine gleichmäßige physikalische Ausdehnung des Gewebes zu ermöglichen. Diese Expansionstechnologie war jedoch alles andere als perfekt. Mithilfe von Enzymen, die als Proteasen bekannt sind, um Gewebe aufzubrechen, fanden Wissenschaftler heraus, dass diese chemische Behandlung mit Enzymen Proteine ​​zerstörte, bevor sie sie analysieren konnten, sodass nur ein Gerüst der ursprünglichen Struktur zurückblieb und nur die Markierungen erhalten blieben.

Boyden und E. Antonio Chiocca, MD, Ph.D., Lehrstuhlinhaber für Neurochirurgie am Brigham and Women’s Hospital und Co-Senior-Autor dieser Studie, betreuten Valdes während seiner Ausbildung zum Neurochirurgen-Wissenschaftler bei der Entwicklung neuartiger Chemien mit dExPath um die Einschränkungen der ursprünglichen Erweiterungstechnologie zu beseitigen.

Ihre neue Technologie verändert Gewebe chemisch, indem sie sie in ein Gel einbettet und das Gewebe durch eine spezielle chemische Behandlung „erweicht“, die Proteinstrukturen trennt, ohne sie zu zerstören, und die es dem Gewebe ermöglicht, sich auszudehnen. Dies lieferte spannende Erkenntnisse für die MIT- und Brigham-Forscher, die routinemäßig kommerziell erhältliche Antikörper verwenden, um an Biomarker in einer Probe zu binden und diese zu beleuchten.

Antikörper sind jedoch groß und können Zellstrukturen oft nur schwer durchdringen, um ihr Ziel zu erreichen. Durch das Auseinanderziehen von Proteinen mit dExPath können dieselben zur Färbung verwendeten Antikörper nun in Räume eindringen, um Proteine ​​im Gewebe zu binden, die vor der Expansion nicht zugänglich waren, und so nanometergroße Strukturen oder sogar Zellpopulationen hervorheben, die zuvor verborgen waren.

„Das menschliche Gehirn verfügt über mehrere Schutzvorrichtungen, um sich vor Krankheitserregern und Umweltgiften zu schützen. Aber diese Elemente machen das Studium der Gehirnaktivität zu einer Herausforderung Gehirn aufgrund von Barrieren, die im Weg stehen“, sagte E. Antonio Chiocca, MD, Ph.D., Vorsitzender der Abteilung für Neurochirurgie am Brigham. „Das ist nur einer der Gründe, warum diese neue Technologie so praxisverändernd sein könnte. Wenn wir detailliertere und genauere Bilder von Gehirngewebe machen können, können wir mehr Biomarker identifizieren und besser für die Diagnose und Behandlung aggressiver Gehirnerkrankungen gerüstet sein.“

Um die Wirksamkeit von dExPath zu validieren, wandte das Team von Boyden und Chiocca die Technologie auf gesundes menschliches Gehirngewebe, hoch- und niedriggradiges Gehirnkrebsgewebe sowie Gehirngewebe an, das von neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson betroffen ist. Die Forscher färbten Gewebe auf gehirn- und krankheitsspezifische Biomarker und machten Bilder vor und nach der Probenerweiterung mit dExPath.

Die Ergebnisse zeigten eine gleichmäßige und konsistente Ausdehnung des Gewebes ohne Verzerrung, was eine genaue Analyse der Proteinstrukturen ermöglichte. Darüber hinaus eliminierte dExPath wirksam Fluoreszenzsignale im Hirngewebe, sogenanntes Lipofuscin, was die Darstellung subzellulärer Strukturen im Hirngewebe sehr erschwert und die Bildqualität weiter verbessert. Darüber hinaus lieferte dExPath stärkere Fluoreszenzsignale für eine verbesserte Markierung sowie die gleichzeitige Markierung von bis zu 16 Biomarkern in derselben Gewebeprobe. Insbesondere ergab die dExPath-Bildgebung, dass Tumore, die zuvor als „niedriggradig“ eingestuft wurden, aggressivere Merkmale und Zellpopulationen aufwiesen, was darauf hindeutet, dass der Tumor weitaus gefährlicher werden könnte als erwartet.

Obwohl dExPath vielversprechend ist, muss es an größeren Stichproben validiert werden, bevor es zur Diagnose neurologischer Erkrankungen wie Hirntumor beitragen kann. Valdes betont, dass sein Team, obwohl sie sich noch in einem frühen Stadium befindet, anstrebt, dass diese Technologie schließlich als Diagnosewerkzeug dient und letztendlich die Behandlungsergebnisse für Patienten verbessert.

„Wir hoffen, dass wir mit dieser Technologie die komplizierten Funktionsweisen von Hirntumoren und ihre Wechselwirkungen mit dem Nervensystem auf nanoskaliger Ebene besser verstehen können, ohne auf übermäßig teure Laborgeräte angewiesen zu sein“, sagten Valdes, der jetzt Assistenzprofessor für Neurochirurgie ist, und Jennie Sealy Distinguished Chair für Neurowissenschaften an der medizinischen Abteilung der University of Texas.

„Die Zugänglichkeit von dExPath wird hochauflösende Bildgebung ermöglichen, um biologische Prozesse auf Nanometerebene im menschlichen Gewebe in der Neuroonkologie und bei neurologischen Erkrankungen wie Alzheimer und Parkinson zu verstehen, und könnte eines Tages sogar Diagnosestrategien und Patientenergebnisse verbessern.“ „

Autoren sind Pablo Valdes (BWH und MIT), Chih-Chieh (Jay) Yu, Jenna Aronson, Debarati Ghosh, Yongxin Zhao, Bobae An (MIT), Joshua D. Bernstock (BWH und MIT), Deepak Bhere (BWH), Michelle M. Felicella, Mariano S. Viapiano, Khalid Shah (BWH) und die korrespondierenden leitenden Autoren E. Antonio Chiocca und Edward S. Boyden.