Klicken Sie hier, wenn dies Ihre Pressemitteilung ist!

Todeszeit: Neue Technologie für mehr Genauigkeit erforderlich

Geschrieben von Herausgeber

Es ist überraschend schwer zu sagen, wann eine Gehirnzelle tot ist. Neuronen, die unter dem Mikroskop inaktiv und fragmentiert erscheinen, können tagelang in einer Art Schwebezustand auf Leben und Tod verharren, und einige beginnen plötzlich wieder zu signalisieren, nachdem sie inaktiv erschienen sind.

Drucken Freundlich, PDF & Email

Für Forscher, die Neurodegeneration untersuchen, macht es dieses Fehlen einer genauen Angabe des „Todeszeitpunkts“ für Neuronen schwierig, genau festzulegen, welche Faktoren zum Zelltod führen, und Medikamente zu untersuchen, die alternde Zellen vor dem Absterben bewahren könnten.              

Jetzt haben Forscher der Gladstone Institute eine neue Technologie entwickelt, mit der sie Tausende von Zellen gleichzeitig verfolgen und den genauen Zeitpunkt des Todes für jede Zelle in der Gruppe bestimmen können. Das Team zeigte in einem in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlichten Artikel, dass der Ansatz in Nagetier- und menschlichen Zellen sowie in lebenden Zebrafischen funktioniert und verwendet werden kann, um die Zellen über einen Zeitraum von Wochen bis Monaten zu verfolgen.

„Der genaue Todeszeitpunkt ist sehr wichtig, um Ursache und Wirkung bei neurodegenerativen Erkrankungen aufzuklären“, sagt Steve Finkbeiner, MD, PhD, Direktor des Center for Systems and Therapeutics in Gladstone und leitender Autor beider neuer Studien. „Damit können wir herausfinden, welche Faktoren den Zelltod direkt verursachen, welche zufällig sind und welche Bewältigungsmechanismen den Tod verzögern könnten.“

In einem begleitenden Artikel, der in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht wurde, kombinierten die Forscher die Zellsensortechnologie mit einem Ansatz des maschinellen Lernens und brachten einem Computer bei, lebende und tote Zellen 100-mal schneller und genauer zu unterscheiden als ein Mensch.

„Studenten brauchten Monate, um diese Art von Daten von Hand zu analysieren, und unser neues System ist fast augenblicklich – es läuft tatsächlich schneller, als wir neue Bilder mit dem Mikroskop aufnehmen können“, sagt Jeremy Linsley, PhD, ein wissenschaftlicher Programmleiter bei Finkbeiner lab und Erstautor der beiden neuen Veröffentlichungen.

Einem alten Sensor neue Tricks beibringen

Wenn Zellen sterben – was auch immer die Ursache oder der Mechanismus sein mag – werden sie schließlich fragmentiert und ihre Membranen degenerieren. Doch dieser Abbauprozess braucht Zeit, was es Wissenschaftlern erschwert, zwischen Zellen zu unterscheiden, die schon lange nicht mehr funktionieren, kranke und sterbende und gesunde Zellen.

Forscher verwenden normalerweise fluoreszierende Markierungen oder Farbstoffe, um erkrankte Zellen im Laufe der Zeit mit einem Mikroskop zu verfolgen und zu diagnostizieren, wo sie sich innerhalb dieses Abbauprozesses befinden. Viele Indikatorfarbstoffe, Färbemittel und Markierungen wurden entwickelt, um die bereits abgestorbenen Zellen von den noch lebenden zu unterscheiden, aber sie wirken oft nur über kurze Zeiträume bevor sie verblassen und können bei der Anwendung auch für die Zellen toxisch sein.

„Wir wollten unbedingt einen Indikator, der die gesamte Lebensdauer einer Zelle anhält – nicht nur ein paar Stunden – und erst dann ein klares Signal gibt, wenn die Zelle stirbt“, sagt Linsley.

Linsley, Finkbeiner und ihre Kollegen haben sich für Kalziumsensoren entschieden, die ursprünglich dazu entwickelt wurden, den Kalziumspiegel in einer Zelle zu verfolgen. Wenn eine Zelle abstirbt und ihre Membranen undicht werden, ist eine Nebenwirkung, dass Kalzium in das wässrige Zytosol der Zelle strömt, das normalerweise einen relativ niedrigen Kalziumspiegel aufweist.

Linsley hat die Kalziumsensoren so konstruiert, dass sie sich im Zytosol befinden, wo sie nur fluoreszieren, wenn der Kalziumspiegel auf einen Wert ansteigt, der auf den Zelltod hindeutet. Die neuen Sensoren, bekannt als genetisch kodierter Todesindikator (GEDI, ausgesprochen wie Jedi in Star Wars), könnten in jede Art von Zelle eingesetzt werden und signalisieren, dass die Zelle über die gesamte Lebensdauer der Zelle lebt oder tot ist.

Um die Nützlichkeit der neu gestalteten Sensoren zu testen, platzierte die Gruppe große Gruppen von Neuronen – von denen jede GEDI enthielt – unter dem Mikroskop. Nach der Visualisierung von mehr als einer Million Zellen, die in einigen Fällen anfällig für Neurodegeneration sind und in anderen toxischen Verbindungen ausgesetzt waren, stellten die Forscher fest, dass der GEDI-Sensor viel genauer war als andere Zelltod-Indikatoren: Es gab keinen einzigen Fall, in dem der Sensor war aktiviert und eine Zelle blieb am Leben. Darüber hinaus schien GEDI den Zelltod zusätzlich zu dieser Genauigkeit auch in einem früheren Stadium zu erkennen als frühere Methoden – nahe dem „Point of no Return“ für den Zelltod.

„Auf diese Weise können Sie lebende und tote Zellen auf eine noch nie dagewesene Weise trennen“, sagt Linsley.

Übermenschliche Todeserkennung

Linsley erwähnte GEDI gegenüber seinem Bruder – Drew Linsley, PhD, einem Assistenzprofessor an der Brown University, der sich auf die Anwendung künstlicher Intelligenz auf große biologische Daten spezialisiert hat. Sein Bruder schlug vor, dass die Forscher den Sensor in Verbindung mit einem maschinellen Lernansatz verwenden, um einem Computersystem beizubringen, lebende und tote Gehirnzellen nur anhand der Form der Zelle zu erkennen.

Das Team koppelte die Ergebnisse des neuen Sensors mit Standard-Fluoreszenzdaten derselben Neuronen und lehrte ein Computermodell namens BO-CNN, die typischen Fluoreszenzmuster zu erkennen, die mit dem Aussehen sterbender Zellen verbunden sind. Das Modell, so zeigten die Linsley-Brüder, war zu 96 Prozent genau und besser als das, was menschliche Beobachter tun können, und war mehr als 100-mal schneller als frühere Methoden zur Unterscheidung von lebenden und toten Zellen.

„Bei einigen Zelltypen ist es für eine Person extrem schwierig zu erkennen, ob eine Zelle lebt oder tot ist – aber unser Computermodell konnte sie durch das Lernen von GEDI anhand von Teilen der Bilder unterscheiden, die wir vorher nicht kannten.“ waren hilfreich bei der Unterscheidung von lebenden und toten Zellen“, sagt Jeremy Linsley.

Sowohl GEDI als auch BO-CNN werden es den Forschern nun ermöglichen, neue Hochdurchsatzstudien durchzuführen, um herauszufinden, wann und wo Gehirnzellen absterben – ein sehr wichtiger Endpunkt für einige der wichtigsten Krankheiten. Sie können auch Medikamente auf ihre Fähigkeit untersuchen, den Zelltod bei neurodegenerativen Erkrankungen zu verzögern oder zu vermeiden. Oder sie suchen im Fall von Krebs nach Medikamenten, die das Absterben erkrankter Zellen beschleunigen.

„Diese Technologien sind bahnbrechend für unsere Fähigkeit zu verstehen, wo, wann und warum der Tod in Zellen auftritt“, sagt Finkbeiner. „Zum ersten Mal können wir die Geschwindigkeit und den Umfang der Fortschritte in der robotergestützten Mikroskopie wirklich nutzen, um den Zelltod genauer zu erkennen, und zwar rechtzeitig vor dem Tod. Wir hoffen, dass dies zu spezifischeren Therapeutika für viele bisher unheilbare neurodegenerative Erkrankungen führen kann.“

Drucken Freundlich, PDF & Email

Über den Autor

Herausgeber

Chefredakteurin ist Linda Hohnholz.

Hinterlasse einen Kommentar