Eine neue Informationsebene in routinemäßigen Blutproben
Jede routinemäßige Blutprobe enthält eine vielfältige Population von Immunzellen, die zusammen als periphere mononukleäre Blutzellen (PBMCs) bezeichnet werden. Diese Zellen sind ein Grundpfeiler klinischer und wissenschaftlicher Arbeitsabläufe und bieten einen Einblick in Infektionen, Autoimmunerkrankungen, Krebs und darin, wie das Immunsystem eines Patienten auf eine Therapie reagiert. Doch konventionelle Methoden zur Analyse von PBMCs, die auf Fluoreszenzmarkern beruhen, die an Oberflächenmarker binden, zeigen nur, welche Zelltypen vorhanden sind, nicht aber, wie diese Zellen tatsächlich funktionieren. Außerdem kann der Aufbereitungsprozess die Zellen selbst verändern und so die Ergebnisse verfälschen.
Nun zeigt eine neue Studie, veröffentlicht in Biophotonics Discovery, wie fortschrittliche optische Bildgebung eine bisher verborgene Dimension sichtbar machen kann: die Stoffwechselaktivität einzelner Immunzellen innerhalb einer komplexen, heterogenen Probe. Dieser markierungsfreie Ansatz, entwickelt von Forschenden des Morgridge Institute for Research und der University of Wisconsin-Madison, könnte die Art und Weise verändern, wie Kliniker und Wissenschaftler die Fülle an Daten aus einer einfachen Blutentnahme interpretieren.
Warum PBMCs wichtig sind
PBMCs lassen sich leicht aus klinischen Proben isolieren und sind bereits in diagnostische und therapeutische Abläufe integriert, bemerkte Melissa Skala, Seniorautorin der Studie und Forscherin am Morgridge Institute und an der University of Wisconsin-Madison. „PBMCs können klinisch wirklich leicht isoliert werden, und sie werden bereits im klinischen Ablauf verwendet“, sagte Skala. „Die Frage ist also, was können wir aus ihnen gewinnen, was wir nicht schon bekommen?“
Diese Frage hat wachsende klinische Bedeutung. PBMCs werden routinemäßig bei so unterschiedlichen Erkrankungen wie Blutkrebs, Sepsis, Lupus und sogar kognitivem Abbau untersucht. Sie dienen auch als Ausgangsmaterial für CAR-T-Zelltherapien, bei denen die Immunzellen eines Patienten genetisch verändert werden, um Krebs zu erkennen und anzugreifen. In solchen Anwendungen könnte das Verständnis nicht nur dafür, wie viele Immunzellen vorhanden sind, sondern wie metabolisch aktiv und leistungsfähig diese Zellen sind, tiefere Einblicke in Krankheitsverlauf und Behandlungsergebnisse liefern.
Ein Patient mit Sepsis könnte beispielsweise eine scheinbar normale Zahl an Immunzellen haben, während einzelne Zellen metabolisch erschöpft oder überaktiv sein können. Ebenso dürfte in der Herstellung von CAR-T-Zellen der metabolische Zustand der gewonnenen Zellen die Qualität und Wirksamkeit des endgültigen therapeutischen Produkts beeinflussen. Doch bisher haben routinemäßige Analysemethoden diese funktionale Dimension weitgehend übersehen.
Grenzen herkömmlicher Markierungstechniken
Traditionell erforderte die Messung des Immunzellstoffwechsels entweder die Isolierung bestimmter Zellpopulationen oder das Hinzufügen von Fluoreszenzmarkern und chemischen Sonden. Diese Strategien haben erhebliche Nachteile. Das Isolieren von Zellen stört das natürliche Zusammenspiel verschiedener Immunzelltypen, das funktionell wichtig sein kann. Fluoreszenzfarbstoffe und chemische Sonden können das Zellverhalten beeinträchtigen, die Probe verbrauchen oder nur einen statischen Schnappschuss statt einer Echtzeitansicht der Zellaktivität liefern.
Darüber hinaus können diese Methoden die Zellen zerstören oder dauerhaft verändern, sodass sie für nachgelagerte Anwendungen wie Zelltherapien schwierig oder unmöglich zu verwenden sind. Sie neigen auch dazu, die Probe als Ganzes zu behandeln und Unterschiede zwischen einzelnen Zellen zu mitteln, die biologisch bedeutsam sein können. Ein Tumor könnte beispielsweise Immunzellen mit stark unterschiedlichen Stoffwechselzuständen enthalten, und eine Gesamtmessung würde diese Heterogenität verschleiern.
Die neue Studie umgeht diese Probleme vollständig. Sie verwendet eine nicht destruktive Technik, die den Stoffwechsel einzelner Immunzellen misst, während diese Teil der gemischten PBMC-Population bleiben, wodurch die natürliche Gewebeumgebung erhalten bleibt und nach der Bildgebung weitere Analysen möglich sind.
Optische Stoffwechselbildgebung: ein markierungsfreier Ansatz
Die Forschenden setzten eine Methode namens optische Stoffwechselbildgebung (OMI) ein, die im Skala Lab entwickelt und verfeinert wurde. OMI nutzt die natürliche Fluoreszenz wichtiger Stoffwechselkoenzyme, insbesondere NADH und FAD, die an der zellulären Energieproduktion beteiligt sind. Wenn Immunzellen metabolisch aktiv sind, verändern sich Konzentrationen und Verhältnisse dieser Koenzyme, und ihre natürliche Fluoreszenz ändert sich entsprechend.
Indem diese Moleküle mit Licht geringer Intensität angeregt und die ausgesandten Signale erfasst werden, kann OMI Stoffwechselaktivität mit Einzelzellauflösung abbilden, ohne externe Marker oder Kontrastmittel hinzuzufügen. So können Forschende lebende Zellen unter nahezu physiologischen Bedingungen beobachten und Veränderungen über die Zeit verfolgen.
In der Studie zeigten die Forschenden, dass OMI Stoffwechselunterschiede zwischen Immunzell-Subsets in unveränderten PBMC-Proben auflösen kann. Dieses Detailniveau war mit früheren Techniken schwer zu erreichen. Die Methode unterscheidet zwischen Zellen, die hauptsächlich Glykolyse nutzen, einem schnellen, aber weniger effizienten Energiepfad, der bei aktivierten Immunzellen häufig ist, und solchen, die auf oxidative Phosphorylierung setzen, eine nachhaltigere Form der Energiegewinnung. Diese funktionalen Unterschiede sind entscheidend, weil sie damit zusammenhängen, ob eine Immunzelle ruhend, aktiviert, erschöpft oder in einen bestimmten Effektorzustand übergehend ist.
Da OMI keine Markierung oder physische Störung erfordert, eröffnet sie auch den Weg für Längsschnittstudien. Dieselbe Probe kann zu unterschiedlichen Zeitpunkten wiederholt abgebildet werden, um in Echtzeit zu verfolgen, wie Immunzellen auf Medikamente, Erreger oder andere Stimuli reagieren. Das ist ein erheblicher Fortschritt gegenüber Endpunkt-Assays, die nur einen einzigen Zeitpunkt erfassen.
Klinische und therapeutische Implikationen
Die Ergebnisse sind in zahlreichen klinischen Anwendungsbereichen vielversprechend. In der Krebsimmunologie etwa ist bekannt, dass die metabolische Leistungsfähigkeit von tumorinfiltrierenden Immunzellen beeinflusst, ob ein Patient auf Checkpoint-Inhibitor-Therapien anspricht. Wenn ähnliche metabolische Signaturen in PBMCs aus einer einfachen Blutentnahme nachweisbar wären, könnten Onkologen einen nichtinvasiven Weg erhalten, die Immunfunktion während der Behandlung zu überwachen.
Bei der CAR-T-Zelltherapie ist der Prozess des Gewinnens, Veränderens und Vermehrens von T-Zellen eines Patienten teuer und arbeitsintensiv. Einige CAR-T-Produkte schlagen nach der Infusion nicht an oder verlieren an Wirksamkeit, was mit dem schlechten Stoffwechselzustand der Ausgangszellen zusammenhängen könnte. Wenn man vor der gentechnischen Veränderung mit OMI die metabolisch robustesten Zellen auswählt, könnte das die Ergebnisse verbessern.
Auch Autoimmunerkrankungen wie Lupus gehen mit komplexer Immunfehlregulation einher, und PBMCs werden oft untersucht, um die Krankheitsaktivität zu beurteilen. Ein von OMI abgeleiteter Stoffwechsel-Biomarker könnte die bestehenden serologischen Marker ergänzen, um ein umfassenderes Bild des Krankheitszustands zu liefern und Therapieanpassungen zu unterstützen.
Im Kontext von Infektionskrankheiten bleibt Sepsis eine große klinische Herausforderung. Immunzellen von Sepsispatienten zeigen häufig eine Verschiebung in Richtung eines entzündungshemmenden, stoffwechselgedämpften Zustands, doch dies war schwer zu messen. OMI könnte es Klinikern ermöglichen, den funktionellen Zustand von Immunzellen am Krankenbett präzise zu beurteilen und potenziell systemische Entzündung von Immunparalyse bei einzelnen Patienten zu unterscheiden.
Der Weg zur klinischen Umsetzung
Das Skala Lab entwickelt OMI seit mehr als einem Jahrzehnt und hat die Methode bereits auf Gewebebiopsien, Tumormodelle und Organoide angewendet. Diese neueste Arbeit erweitert den Ansatz auf Blutproben mit PBMCs, die in klinischen Umgebungen viel leichter zu gewinnen sind als Gewebeproben.
Die Tatsache, dass PBMCs bereits im Rahmen routinemäßiger klinischer Abläufe isoliert werden, ist ein großer Vorteil. „PBMCs können klinisch wirklich leicht isoliert werden, und sie werden bereits im klinischen Ablauf verwendet“, wiederholte Skala und betonte die niedrige Eintrittshürde. OMI-Instrumente sind zwar weiterhin spezialisiert, aber in Forschungs- und klinischen Laboren zunehmend verfügbar, und die nicht destruktive Natur der Methode bedeutet, dass sie vor bestehenden Assays oder sogar Zellverarbeitungspipelines integriert werden könnte.
Allerdings sind noch einige Schritte nötig, bevor OMI zu einem Standard-Diagnosetool wird. Größere klinische Studien sind erforderlich, um die metabolischen Signaturen gegen etablierte Krankheitsverläufe zu validieren und zu definieren, was in bestimmten Erkrankungen ein „gesundes“ versus „dysreguliertes“ Stoffwechselprofil ausmacht. Die Instrumente müssen zudem benutzerfreundlicher und kosteneffizienter für klinische Labore werden. Die technische Einfachheit der markierungsfreien Bildgebung ist jedoch ein ermutigendes Zeichen.
Die Entdeckung, dass routinemäßige PBMCs verborgene Stoffwechselinformationen tragen, die mit markierungsfreier optischer Bildgebung zugänglich sind, markiert eine neue Grenze der Immunüberwachung. Die Forschenden führen nun weitere Studien durch, um Stoffwechselzustände über verschiedene Krankheiten hinweg zu katalogisieren und mit der Reaktion von Patienten auf Therapien zu korrelieren. In naher Zukunft könnte eine einfache Blutprobe weit mehr liefern als nur eine Zellzahl: Sie könnte den Funktionszustand jeder einzelnen Immunzelle darin sichtbar machen und personalisierte Behandlungen auf eine heute fast futuristisch wirkende Weise lenken.
Dieser Artikel basiert auf einem Bericht von Phys.org. Den Originalartikel lesen.
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