Eine besonders große Herausforderung besteht darin, alle Moleküle in einer intakten Gewebeprobe, bis hin zu einzelnen Zellen, gleichzeitig zu beobachten. Die Bestimmung der Position von Hunderten oder Tausenden von Biomolekülen – von Lipiden über Metaboliten bis hin zu Proteinen – in ihrer natürlichen Umgebung ermöglicht es Forschern, ihre Funktionen und Wechselwirkungen besser zu verstehen. Leider verfügen Wissenschaftler nicht über die geeigneten Werkzeuge, um diese Aufgabe zu bewältigen.
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Zhang und Ding et al.
Bildgebende Verfahren, darunter die meisten Mikroskopieverfahren, ermöglichen die Betrachtung von Molekülen im Zellinneren. Allerdings können sie nur eine ausgewählte Handvoll Moleküle gleichzeitig erfassen und nicht alle Arten von Biomolekülen, darunter auch einige Lipide, nachweisen. Andere Methoden, wie die herkömmliche Massenspektrometrie, können zwar Hunderte von Molekülen nachweisen, funktionieren aber nicht bei intakten Proben, sodass Forscher die Ausrichtung der Biomoleküle nicht erkennen können.
Eine vielversprechende Technik – die Massenspektrometrie – überwindet einige dieser Herausforderungen. Sie ermöglicht es Forschern, Hunderte von Molekülen gleichzeitig in intaktem Gewebe zu erkennen. Allerdings ist die Auflösung nicht hoch genug, um eine Erkennung auf Einzelzellebene zu ermöglichen.
Genau vor diesem Problem stand Janelias Senior Group Leader Meng Wang. Wang und ihr Team erforschen die grundlegenden Mechanismen des Alterns und der Langlebigkeit. Sie wollten viele verschiedene Biomoleküle in intaktem Gewebe nachweisen, um zu verstehen, wie sich die Komponenten mit zunehmendem Alter des Gewebes verändern.
„Für jede Art biologischer Frage ist es sehr wichtig zu wissen, welche Moleküle sich an jedem spezifischen Ort befinden und was sich in den benachbarten Zellen befindet“, sagt Wang.
Glücklicherweise liegt Wangs Labor nur einen Flur weiter als das von Janelias leitendem Wissenschaftler Paul Tillberg. Tillberg war während seines Doktorandenstudiums am MIT Miterfinder einer Technik namens Expansionsmikroskopie. Bei dieser Methode wird ein quellbares Hydrogelmaterial verwendet, um Proben gleichmäßig in alle Richtungen auszudehnen, bis feine Details, wie die Struktur von Unterorganellen, mit einem herkömmlichen Mikroskop erkennbar sind.
Das Expansionsverfahren ist mittlerweile zehn Jahre alt und wird auch außerhalb der traditionellen Mikroskopie eingesetzt. Wang, Tillberg und ihre Kollegen an der Janelia University und der University of Wisconsin-Madison wollten herausfinden, ob sich das Problem der räumlichen Auflösung in der Massenspektrometrie mithilfe der Expansion lösen lässt.
Das Ergebnis ist eine neue Methode, die Gewebeproben schrittweise expandiert, ohne sie auf molekularer Ebene zu zersetzen, wie es beim ursprünglichen Expansionsprozess der Fall ist. Durch die Expansion der intakten Proben in alle Richtungen können Forscher mithilfe der Massenspektrometrie Hunderte von Molekülen gleichzeitig auf Einzelzellebene an ihren natürlichen Standorten erfassen.
„Dadurch ist ein ungezielter Blick in den Molekülraum möglich und wir versuchen, die räumliche Auflösung an die Möglichkeiten der Mikroskopie anzunähern“, sagt Tillberg.
Das Team nutzte die neue Technik, um die spezifischen räumlichen Muster kleiner Moleküle in verschiedenen Schichten des Kleinhirns abzugrenzen. Sie stellten fest, dass diese Moleküle – darunter Lipide, Peptide, Proteine, Metaboliten und Glykane – nicht wie bisher angenommen gleichmäßig verteilt sind. Darüber hinaus stellten sie fest, dass jede einzelne Schicht des Kleinhirns ihre eigene Signatur aus Lipiden, Metaboliten und Proteinen aufweist.
Das Team konnte außerdem Biomoleküle in Nieren-, Bauchspeicheldrüsen- und Tumorgewebe nachweisen und damit zeigen, dass die Methode für viele verschiedene Gewebetypen adaptierbar ist. In Tumorgewebe konnten sie große Variationen der Biomoleküle visualisieren, was zum Verständnis der molekularen Mechanismen von Tumoren beitragen und möglicherweise die Medikamentenentwicklung unterstützen könnte.
