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Strategische Kommunikation und Öffentlichkeitsarbeit

Wie Blut- und Leukämiezellen entstehen

Nr. 66c | 29.11.2021

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Berlin Institute of Health in der Charité (BIH) und des MDC haben gemeinsam mit Kollegen vom Heidelberger Institut für Stammzelltechnologien und Experimentelle Medizin (HI-STEM) am Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) sowie weiteren Forschern aus Heidelberg und Barcelona die Entwicklung von Blutzellen detailliert nachverfolgt: Sie kombinierten Methoden, mit denen man die Aktivität der Gene innerhalb der Zelle analysiert mit dem Nachweis von Proteinmolekülen auf der Oberfläche der Zelle. Sie waren so in der Lage, die Informationen tausender einzelner Zellen aus Blut und Knochenmark gleichzeitig zu erfassen und damit die unterschiedlichen Entwicklungsstadien der verschiedenen Zelltypen eindeutig zu erkennen. Die Ergebnisse können dazu beitragen, die Diagnose und Therapie von Blutkrebserkrankungen zu verbessern.

© Adobe Stock

Der Laie spricht bei Blutzellen von roten und weißen Blutkörperchen und Blutplättchen. Für Experten ist die Unterscheidung sehr viel detaillierter, vor allem bei den weißen Blutkörperchen, den Immunzellen, existieren viele verschiedene Zelltypen. Allen gemeinsam ist der Ursprung aus Blutstammzellen im Knochenmark. Wenn diese sich teilen und in verschiedene Zellen differenzieren, entsteht die Vielfalt der Blutzellen. „Bislang haben wir die verschiedenen Zellen anhand der Proteine auf ihrer Oberfläche voneinander unterschieden", erklärt Simon Haas, Leiter der Nachwuchsgruppe Blutkrebs, Stammzellen und Präzisionsmedizin am BIH, die am Berliner Institut für molekulare Systembiologie (BIMSB) des Max-Delbrück-Centrums für Molekulare Medizin (MDC) in der Helmholtz-Gemeinschaft angesiedelt ist. „Dazu nutzen wir die FACS-Analyse, oder Durchflusszytometrie, bei der Zellen mit der Hilfe von Antikörpern gegen rund 20 Oberflächenmoleküle analysiert werden", erklärt Haas. „Das geht schnell und ist kostengünstig, ist aber nicht so genau."

Mittlerweile gibt es sehr viel genauere Methoden, um Zellen zu untersuchen. Mit der Single-Cell-Analyse können Biowissenschaftler die verschiedenen messenger RNA (mRNA)-Moleküle in einzelnen Zellen bestimmen. Diese Botenstoffe überbringen die Information aus dem Erbgut im Zellkern, der DNA, in das Zellplasma, wo die mRNA in Eiweiß (Protein) übersetzt wird. In jeder Zelle ist der Gehalt und die Zusammensetzung der mRNA individuell verschieden. „Das ermöglicht uns, viel feinere Unterschiede zwischen Zellen festzustellen", sagt Simon Haas. „So können wir mittlerweile verschiedene Entwicklungsstadien der Zellen erkennen, was zum Beispiel wichtig ist, um Blutkrebs genauer zu diagnostizieren oder den Alterungsprozess von Blutzellen zu verstehen." Für die tägliche Routine im Klinikbetrieb ist die Single Cell Diagnostik jedoch noch viel zu aufwändig und teuer. „Wir haben uns deshalb überlegt, ob man die Single-Cell-Analyse nicht mit der FACS-Analyse kombinieren kann."

Hochpräzise Karte der Blutentwicklung

Dazu untersuchte das Team um Simon Haas gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen am Heidelberger Institut für Stammzelltechnologien und Experimentelle Medizin (HI-STEM) am Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ), am Europäischen Molekularbiologischen Labor (EMBL) in Heidelberg und am Centre for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona zunächst hunderttausende von Blutzellen verschiedener Stadien im Labor mit der Single-Cell-Analyse und erstellten so eine hochpräzise Karte der Entwicklung von Zellen des Blutsystems, sowohl von gesunden Spendern als auch von Leukämiepatienten. So konnten sie die normalen Alterungsprozesse nachvollziehen, aber auch erkennen, wie aus Stammzellen Leukämiezellen entstehen. Dabei entdeckten sie auch neue Markerproteine auf den Zelloberflächen, die wesentlich genauere Unterscheidungen zwischen den verschiedenen Zelltypen erlaubten.

„Das ist wichtig, zum Beispiel bei der Diagnose und Therapie von Blutkrebserkrankungen", betont Dominik Vonficht, einer der Erstautoren der Studie. „Hier entwickeln sich die Zellen nicht in funktionstüchtige Blutzellen, sondern bleiben während ihrer Entwicklung auf einer bestimmten Stufe stehen und vermehren sich immer weiter. Das geht so lange, bis das Blut überschwemmt ist von weißen Blutkörperchen, das Merkmal der Leukämie, des „weißen Blutes". Damit wir diese Zellen zielgerichtet bekämpfen können, ist es notwendig, sie genau zu kennen und von gesunden Blutzellen unterscheiden zu können."

Kombinierte Analyseverfahren für präzise Diagnostik

Die Wissenschaftler verknüpften daher die neuen Informationen über die verschiedenen Zellstadien mit den herkömmlichen Oberflächenmarkern, die beim FACS zum Einsatz kommen. Ergänzt um die neuen Markerproteine konnten sie mithilfe künstlicher Intelligenz die Ergebnisse aus den Single-Cell-Analysen mit den FACS-Ergebnissen kombinieren. „Wir benutzen jetzt neue Kombinationen von Antikörpern, die uns die KI vorschlägt, um ganz bestimmte Zellstadien besser identifizieren zu können", erklärt Lea-Jopp Saile, ebenfalls Erstautorin der Studie.

Die Nachwuchsgruppe von Simon Haas gehört dem gemeinsamen Forschungsfokus „Single-Cell-Ansätze für die personalisierte Medizin" an, den das BIH in der Charité gemeinsam mit dem MDC und der Charité – Universitätsmedizin Berlin gegründet hat. Die klinische Anwendung seiner Ergebnisse verfolgt Simon Haas nun mit seinen klinischen Partnern an der Charité, den Direktoren der Medizinischen Kliniken mit Schwerpunkt Hämatologie, Onkologie und Tumorimmunologie, Lars Bullinger am Charité Campus Virchow-Klinikum (CVK) sowie Ulrich Keller am Charité Campus Benjamin Franklin (CBF). „Unser Ziel ist, Leukämien so besser zu diagnostizieren und die Blutkrebszellen präzise bekämpfen zu können."

Sergio H. Triana, Dominik Vonficht, Lea JoppSaile, Simon Raffel, Raphael Lutz, Daniel Leonce, Magdalena Antes, Pablo Hernández-Malmierca, Diana Ordoñez-Rueda, Beáta Ramasz, Tobias Boch, Johann-Christoph Jann, Daniel Nowak, Wolf-Karsten Hofmann,Carsten Müller Tidow, Daniel Hübschmann, Theodore Alexandrov, Vladimir Benes, Andreas Trumpp, Malte Paulsen, Lars Velten, Simon Haas: Single-cell proteo-genomic reference maps of the hematopoietic system enable the purification and massive profiling of precisely defined cell states.
Nature Immunology 2021, https://doi.org/10.1038/s41590-021-01059-0
https://www.nature.com/articles/s41590-021-01059-0 

Quelle: Berlin Institute of Health in der Charité (BIH)

Das Deutsche Krebsforschungszentrum (DKFZ) ist mit mehr als 3.000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern die größte biomedizinische Forschungseinrichtung in Deutschland. Über 1.300 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erforschen im DKFZ, wie Krebs entsteht, erfassen Krebsrisikofaktoren und suchen nach neuen Strategien, die verhindern, dass Menschen an Krebs erkranken. Sie entwickeln neue Methoden, mit denen Tumoren präziser diagnostiziert und Krebspatienten erfolgreicher behandelt werden können. Beim Krebsinformationsdienst (KID) des DKFZ erhalten Betroffene, interessierte Bürger und Fachkreise individuelle Antworten auf alle Fragen zum Thema Krebs. Gemeinsam mit Partnern aus den Universitätskliniken betreibt das DKFZ das Nationale Centrum für Tumorerkrankungen (NCT) an den Standorten Heidelberg und Dresden, in Heidelberg außerdem das Hopp-Kindertumorzentrum KiTZ. Im Deutschen Konsortium für Translationale Krebsforschung (DKTK), einem der sechs Deutschen Zentren für Gesundheitsforschung, unterhält das DKFZ Translationszentren an sieben universitären Partnerstandorten. Die Verbindung von exzellenter Hochschulmedizin mit der hochkarätigen Forschung eines Helmholtz-Zentrums an den NCT- und den DKTK-Standorten ist ein wichtiger Beitrag, um vielversprechende Ansätze aus der Krebsforschung in die Klinik zu übertragen und so die Chancen von Krebspatienten zu verbessern. Das DKFZ wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und zu 10 Prozent vom Land Baden-Württemberg finanziert und ist Mitglied in der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren.

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