Neuartiger Ansatz für manipulierte Zellen könnte molekularmedizinische Bildgebung ermöglichen

Laut einem Forschungsteam der Penn State University könnte eine winzige molekulare Struktur, die wie eine Blase aussieht, die medizinische Bildgebung erheblich verbessern können. Diese als Gasvesikel (GVs) bezeichneten Strukturen werden auf natürliche Weise von bestimmten Mikroorganismen produziert und sind für die Steuerung des Auftriebs des Mikroorganismus im Wasser verantwortlich. Forscher können menschliche Zellen gentechnisch verändern, um diese Gasvesikel zu produzieren, was zu einem Ultraschallkontrastmittel führt, das tiefe Gewebestrukturen mit der Auflösung einer einzelnen Zelle sichtbar machen kann.

Das Problem besteht darin, dass der Prozess zur Herstellung solcher Zellen kostspielig und mühsam ist. Um den Prozess zu vereinfachen, leitete Lance Lian, außerordentlicher Professor für Biomedizintechnik und Biologie an der Penn State, ein Team bei der Entwicklung eines effizienteren Ansatzes. Sie veröffentlichten ihre Arbeit in Bioingenieurwesen und translationale Medizin.

„Das Tolle an unserem Ansatz ist, dass er nicht die mühsamen und zeitaufwändigen Methoden zum Klonen und Sortieren einzelner Zellen erfordert“, sagte Lian, Mitautor des Artikels. „Stattdessen können wir mit einer Zellmischung arbeiten und erhalten dennoch einen starken und zuverlässigen Ultraschallkontrast.“

Im Kontext dieser Forschung bezieht sich „Einzelzellklonen“ auf einen arbeitsintensiven Prozess der Isolierung und Kultivierung einzelner Zellen, die spezifische genetische Veränderungen erfahren haben, wie etwa den Einbau der gewünschten Gene zur Produktion von GVs. Normalerweise tun Forscher dies, um sicherzustellen, dass sie mit einer Population von Zellen arbeiten, die einheitliche genetische Eigenschaften aufweisen.

Um diesen komplexen Schritt aus dem Prozess zu eliminieren, basierte der Ansatz des Teams auf drei spezifischen DNA-Konstrukten, die, wenn sie in das genetische Material von Zellen integriert werden, die Expression der Gene erleichtern, die für die Bildung von GVs verantwortlich sind.

DNA-Konstrukte beziehen sich auf manipulierte DNA-Abschnitte, die spezifische genetische Anweisungen tragen. In dieser Arbeit entwarfen die Forscher DNA-Konstrukte, die als genetische Vorlagen dienen und die Zellen anleiten, die für die Bildung von GVs notwendigen Komponenten zu produzieren.

In diese DNA-Konstrukte integrierten die Forscher auch ein uhrähnliches System namens „Doxycyclin-TET-On-3G-System“. Es löst genau zum richtigen Zeitpunkt die Produktion von GVs in der Zelle aus.

Zusätzlich zu diesem präzisen Timing-Mechanismus nahm das Team individuelle Modifikationen an den drei DNA-Konstrukten vor, indem es jedem einzelne einzigartige arzneimittelresistente Gene hinzufügte. Als Forscher eine Zellpopulation mit den Medikamenten behandelten, starben alle Zellen ab, die nicht alle drei DNA-Konstrukte erfolgreich eingebaut hatten. Diese als „Drug Selection“ bezeichnete Methode ermöglichte die Isolierung einer einheitlichen Gruppe genetisch veränderter Zellen, die GVs produzieren konnten.

Dadurch sei der vorherige anspruchsvolle und komplizierte Prozess des Klonens einzelner Zellen überflüssig geworden, sagte Lian.

„Ich denke, es ist ein klassisches Beispiel dafür, wenn die Biologie schwierig wird. Wenn man ein arzneimittelresistentes Gen stromabwärts von dem Gen von Interesse einbaut, macht es die Sache einfacher“, sagte Alessandro Howells, Doktorand im Lian-Labor und Erstautor des Buches Papier. Er erklärte, dass sie durch das Hinzufügen der arzneimittelresistenten Gene im Wesentlichen die Zellen markierten, die in der Lage waren, GVs zu produzieren.

Lian sagte, er könne sich vorstellen, dass GVs in der Zukunft Anwendung bei therapeutischen medizinischen Interventionen finden werden, da der Prozess zu ihrer Herstellung nun effizienter ist.

Wissenschaftler erforschen Möglichkeiten, GVs mit Ultraschallanwendungen zu nutzen, seit sie 2014 entdeckten, dass dies möglich ist. Ultraschall nutzt Schallwellen, um biologisches Gewebe abzubilden. Wenn die Schallwellen auf etwas mit einer anderen Dichte treffen, beispielsweise auf einen Knochen, wird ein Teil des Schalls zurückgeworfen und das Ultraschallsystem kann bestimmen, wie tief dieses Objekt ist, und so ein Bild der inneren Anatomie erstellen. Diese bildgebende Methode ist nicht-invasiv und setzt das Gewebe keiner Strahlung aus.

Laut Lian könnten GVs eines Tages das einzige derzeit klinisch zugelassene Ultraschallmittel, Mikrobläschen, ersetzen. Mikrobläschen sind kleiner als ein rotes Blutkörperchen und zu groß, um für die molekulare Bildgebung verwendet zu werden. Aufgrund ihrer viel geringeren Größe, so Lian, könnten GVs als biologisches Kontrastmittel für die Bildgebung tief im Gewebe eingesetzt werden, was es Forschern ermöglicht, Strukturen einzelner Zellen nicht-invasiv sichtbar zu machen.

Wenn GVs mit Ultraschallwellen getroffen werden, verändern sie ihre Form. Das Signal, das diese sich verbiegenden GVs erzeugen, kann mit dem Ultraschallsystem erkannt werden, und Forscher können genau sehen, wo sich diese Zellen befinden. Das Bemerkenswerte an der GV-Methode ist laut Lian, dass sie die Abbildung von Zellen ermöglicht, selbst wenn diese mehrere Zentimeter tief eingebettet sind.

„Stellen Sie sich vor, wir könnten diese Technologie nutzen, um zu überwachen, ob sich transplantierte therapeutische Zellen noch im Körper befinden“, sagte Lian und bezog sich dabei auf Zellen, die entwickelt wurden, um funktionsgestörte Zellen im Körper zu ersetzen oder zu ergänzen, wie etwa Betazellen der Bauchspeicheldrüse, die sein Team zur Behandlung von Typ 1 entwickelt hat Diabetes.

„Manchmal werden sie vom körpereigenen Immunsystem zerstört, und wir müssen einfach abwarten, ob eine Behandlung nicht wirkt. Mit GVs können wir die Zellen kontinuierlich durch Ultraschallbildgebung überwachen und einen therapeutischen Eingriff in Echtzeit überwachen. Ich denke.“ dass diese Technologie enorme Anwendungsmöglichkeiten in der biomedizinischen Forschung haben wird.“

Die Forscher stellten ihre Konstrukte über zur Verfügung Addgenein gemeinnütziges Plasmid-Repository, das Forschern aus der ganzen Welt den Zugriff auf ihre Arbeit ermöglicht.