Neue Technik vergrößert Gewebe, so dass Hunderte von Biomolekülen im Inneren von Zellen sichtbar werden können
Für Biologen heißt es: Sehen ist Glauben. Aber manchmal fällt es Biologen schwer zu sehen.
TEMI-Kartierung der Lipidverteilung in den Kleinhirnschichten. Dieses Bild zeigt Lipidarten, die speziell in drei verschiedenen Schichten des Kleinhirns angereichert sind: Molekularschicht, Schicht der weißen Substanz und Granularzellschicht.
Zhang and Ding et al.
Eine besonders schwierige Aufgabe ist es, alle Moleküle in einer intakten Gewebeprobe bis hinunter auf die Ebene einzelner Zellen gleichzeitig zu sehen. Das Aufspüren von Hunderten oder Tausenden von Biomolekülen - von Lipiden über Stoffwechselprodukte bis hin zu Proteinen - in ihrer natürlichen Umgebung ermöglicht den Forschern ein besseres Verständnis ihrer Funktionen und Wechselwirkungen. Leider haben die Wissenschaftler keine großartigen Werkzeuge, um diese Aufgabe zu bewältigen.
Bildgebende Verfahren, einschließlich der meisten Arten der Mikroskopie, ermöglichen einen Blick auf Moleküle im Inneren von Zellen. Sie können jedoch nur eine ausgewählte Handvoll Moleküle auf einmal verfolgen und nicht alle Arten von Biomolekülen, einschließlich einiger Lipide, erkennen. Andere Methoden, wie die herkömmliche Massenspektrometrie, können Hunderte von Molekülen nachweisen, funktionieren aber nicht bei intakten Proben, so dass die Forscher nicht sehen können, wie die Biomoleküle ausgerichtet sind.
Eine vielversprechende Technik - die Massenspektrometrie-Bildgebung - überwindet einige dieser Probleme. Sie ermöglicht es den Forschern, Hunderte von Molekülen in intaktem Gewebe auf einmal zu sehen. Allerdings ist die Auflösung nicht hoch genug, um den Nachweis auf der Ebene einzelner Zellen zu ermöglichen.
Vor diesem Problem stand die Leiterin der Janelia-Gruppe, Meng Wang. Wang und ihr Team untersuchen die grundlegenden Mechanismen des Alterns und der Langlebigkeit und wollten viele verschiedene Biomoleküle in intaktem Gewebe nachweisen, um zu verstehen, wie sich die Komponenten mit dem Altern des Gewebes verändern.
"Zu wissen, welche Moleküle an welchem Ort vorhanden sind und was sich in den benachbarten Zellen befindet, ist für jede Art von biologischer Fragestellung sehr wichtig", sagt Wang.
Glücklicherweise befindet sich Wangs Labor in unmittelbarer Nähe von Paul Tillberg, dem leitenden Wissenschaftler von Janelia. Tillberg hat als Doktorand am MIT eine Technik namens Expansionsmikroskopie miterfunden. Bei dieser Methode wird ein quellfähiges Hydrogelmaterial verwendet, um Proben gleichmäßig in alle Richtungen auszudehnen, bis zu einem Punkt, an dem feine Details, wie die Struktur von Suborganellen, mit einem herkömmlichen Mikroskop erkannt werden können.
Der Expansionsprozess ist nun ein Jahrzehnt alt und wird auch auf andere Methoden außerhalb der traditionellen Mikroskopie angewendet. Wang, Tillberg und ihre Mitarbeiter in Janelia und an der University of Wisconsin-Madison wollten herausfinden, ob sie die Expansion nutzen können, um das Problem der räumlichen Auflösung in der Massenspektrometrie zu lösen.
Das Ergebnis ist eine neue Methode, mit der Gewebeproben schrittweise expandiert werden können, ohne dass sie auf molekularer Ebene degradiert werden, wie es bei dem ursprünglichen Expansionsverfahren der Fall ist. Durch die Ausdehnung der intakten Proben in alle Richtungen können die Forscher mit Hilfe der Massenspektrometrie-Bildgebung gleichzeitig Hunderte von Molekülen auf der Ebene einzelner Zellen an ihren ursprünglichen Stellen nachweisen.
"Damit kann man einen ungezielten Blick in den molekularen Raum werfen, und wir versuchen, die räumliche Auflösung der Mikroskopie anzunähern", sagt Tillberg.
Das Team nutzte die neue Technik, um die spezifischen räumlichen Muster kleiner Moleküle in verschiedenen Schichten des Kleinhirns zu beschreiben. Sie fanden heraus, dass diese Moleküle - darunter Lipide, Peptide, Proteine, Metaboliten und Glykane - nicht gleichmäßig verteilt sind, wie bisher angenommen. Außerdem stellten sie fest, dass jede spezifische Schicht des Kleinhirns ihre eigene Signatur von Lipiden, Metaboliten und Proteinen aufweist.
Das Team war auch in der Lage, Biomoleküle in Nieren-, Bauchspeicheldrüsen- und Tumorgewebe nachzuweisen, was zeigt, dass die Methode für viele verschiedene Gewebetypen angepasst werden kann. In Tumorgeweben konnten sie große Variationen von Biomolekülen sichtbar machen, was für das Verständnis der molekularen Mechanismen von Tumoren und für die Entwicklung von Medikamenten hilfreich sein könnte.
"Wenn man diese Biomoleküle sehen kann, kann man verstehen, warum sie solche Muster aufweisen und wie das mit ihrer Funktion zusammenhängt", sagt Wang. Sie glaubt, dass die neue Technologie es den Forschern ermöglichen wird, diese Muster während der Entwicklung, der Alterung und der Krankheit zu verfolgen, um zu verstehen, wie verschiedene Moleküle zu diesen Prozessen beitragen.
Da für die neue Methode keine zusätzliche Hardware zu einem bestehenden Massenspektrometersystem erforderlich ist und die Erweiterungstechnik relativ leicht zu erlernen ist, hofft das Team, dass sie von vielen Labors auf der ganzen Welt genutzt werden wird. Das Team hofft auch, dass die neue Technik die Massenspektrometrie zu einem nützlicheren Werkzeug für Biologen machen wird, und hat eine detaillierte Beschreibung der neuen Methode und einen Fahrplan für ihre Anpassung an andere Gewebetypen erstellt.
"Wir wollten etwas entwickeln, für das keine speziellen Instrumente oder Verfahren erforderlich sind, sondern das auf breiter Basis eingesetzt werden kann", sagt Wang.
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