Die CIPHER-seq-Technologie zeigt, wie Immunzellen während der Behandlung kommunizieren

Eine neue Einzelzelltechnologie ermöglicht Wissenschaftlern den bisher klarsten Einblick in das Verhalten von Immunzellen, indem sie nicht nur die genetische Absicht, sondern auch die Aktivität in Echtzeit erfasst. Durch die gleichzeitige Messung von RNA und Proteinen lässt sich die Zytokinaktivität mit größerer Genauigkeit ermitteln und so die Grundlage für das Verständnis von Krebs, Entzündungen und Behandlungsresistenz stärken. Veröffentlicht in der Ausgabe vom 8. April Wissenschaftliche Berichtekönnten die Ergebnisse letztendlich das Design der Immuntherapie verbessern und die Vorhersagen über das Ansprechen des Patienten verbessern.

Forscher am Sylvester Comprehensive Cancer Center, Teil der University of Miami Miller School of Medicine, entwickelten in Zusammenarbeit mit Mitarbeitern der University of California, San Francisco, und des Helen Diller Family Comprehensive Cancer Center CIPHER-seq, das die gleichzeitige Messung von RNA und Proteinen innerhalb derselben Immunzelle ermöglicht, um einen umfassenderen Überblick über Immunantworten zu erhalten.

RNA gibt uns Hinweise darauf, wohin eine Zelle geht. Proteine zeigen uns, wo es tatsächlich ankommt, und dieses klarere Bild könnte Wissenschaftlern helfen, bessere Immuntherapien zu entwickeln und Ärzten dabei helfen, vorherzusagen, welche Patienten am wahrscheinlichsten von ihnen profitieren werden.“

Justin Taylor, MD, ein Sylvester-Arzt und Wissenschaftler und Co-Senior-Autor der Studie

Die Einzelzell-RNA-Sequenzierung hat die biomedizinische Forschung verändert. Es ermöglicht Wissenschaftlern, Tausende von Immunzellen gleichzeitig zu untersuchen und zu sehen, welche Gene aktiviert oder deaktiviert sind. Aber RNA ist nur eine Reihe von Anweisungen. Proteine sind die Moleküle, die diese Anweisungen ausführen.

Diese Lücke wird besonders wichtig, wenn Wissenschaftler Zytokine untersuchen – kleine, aber leistungsstarke Proteine, die Immunzellen zur Kommunikation nutzen. Zytokine helfen, Entzündungen zu kontrollieren, Immunangriffe zu lenken und das Wachstum oder Schrumpfen von Tumoren zu beeinflussen. Dennoch korrelieren die RNA-Werte für Zytokine oft nicht mit der Proteinmenge, die eine Zelle tatsächlich produziert.

„In Immunzellen steigen und fallen RNA und Protein nicht immer gemeinsam“, sagte Co-Seniorautor Emiliano Cocco, Ph.D., Assistenzprofessor für Biochemie und Molekularbiologie an der Miller School.

Diese Nichtübereinstimmung ist kein Fehler. Es ist Biologie. RNA kann schnell erscheinen und genauso schnell verschwinden, während Proteine Zeit brauchen, um sich aufzubauen, und möglicherweise länger verweilen. Bei alleiniger Untersuchung der RNA könne dieser Zeitpunkt verfehlt werden, fügte Cocco hinzu.

CIPHER-seq – kurz für Cytokine Intrazelluläres Protein Hochdurchsatz-Expression mit RNA-Sequenzierung – wurde entwickelt, um diese Lücke zu schließen. Die Methode ermöglicht es Forschern, Zellen schonend zu konservieren und so mehrere Informationsebenen gleichzeitig zu messen.

Aus einer einzelnen Immunzelle erfasst CIPHER-seq:

• RNA aus dem gesamten Genom
• Proteine auf der Zelloberfläche
• Proteine innerhalb der Zelle
• Im Inneren eingeschlossene Zytokine, bevor sie freigesetzt werden

Dadurch entsteht eine umfassendere und zuverlässigere Momentaufnahme der Immunaktivität.

Eine Herausforderung bei der Untersuchung von Zellen besteht darin, dass der Prozess selbst sie belasten kann. Einige bestehende Methoden schädigen Zellen während der Zubereitung und lösen künstliche Stressreaktionen aus, die die Ergebnisse verfälschen.

Als das Forschungsteam CIPHER-seq mit Standardansätzen verglich, stellte es fest, dass CIPHER-seq weitaus weniger zellulären Stress verursachte. Mit anderen Methoden verarbeitete Zellen zeigten Anzeichen von Schäden, insbesondere in ihren Mitochondrien – den Energiezentren der Zelle. Diese Stresssignale können genaue Messungen beeinträchtigen und es schwieriger machen, echtes Immunverhalten von technischen Artefakten zu unterscheiden.

„Wir wollten eine Methode, die es den Zellen ermöglicht, so nah wie möglich an ihrem natürlichen Zustand zu bleiben“, sagte Taylor, Mitglied des Sylvester Translational and Clinical Oncology Program und Stiftungsprofessor für Leukämie des Pap Corps.

Um die Plattform zu testen, aktivierten die Forscher Immunzellen und verfolgten ihre Reaktionen. CIPHER-seq erfasste deutlich den Anstieg wichtiger Zytokine, darunter Interferon-Gamma- und Tumornekrosefaktor-Signalwege, von denen bekannt ist, dass sie eine wichtige Rolle bei der Immunabwehr und der Krebsbiologie spielen. Ebenso wichtig war, dass die Technologie anzeigte, wann diese Signale auftraten.

Mithilfe eines rechnerischen Ansatzes, der die Zellen entlang einer Zeitachse der Aktivierung ordnet, stellten die Forscher fest, dass zuerst die RNA-Signale anstiegen, kurz darauf folgten die Proteinspiegel. Die Verzögerung war gering, aber konstant.

„Es ist, als würde man den Plan vor der Tat sehen“, sagte Erstautorin Avni Bhalgat, Ph.D. „Zytokine helfen festzustellen, ob Immunzellen Krebs angreifen, ihn ignorieren oder sogar das Wachstum von Tumoren unterstützen. Es ist entscheidend zu verstehen, wie und wann Immunzellen diese Signale erzeugen.“

Wenn sowohl RNA als auch Protein gleichzeitig gemessen werden, ermöglicht CIPHER-seq Forschern, Immunreaktionen Schritt für Schritt zu verfolgen, anstatt sich auf eine einzige Datenebene zu verlassen, erklärte Taylor, und dies biete eine stärkere Grundlage für die Untersuchung von Krebs, Entzündungen und Behandlungsresistenz.

„Die Plattform hilft uns, über Schlussfolgerungen hinauszugehen und zu verstehen, wie sich Immunreaktionen wirklich entwickeln – Zelle für Zelle“, sagte er.

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