Schläferzellen: Neu entdeckte Stammzell-Ruhephase könnte Hirntumore in den Schlaf versetzen

ASU-Ingenieurwissenschaftler entdecken und erforschen neuen Zustand neuronaler Stammzellen, der Einblick in Krebs gibt

01.07.2021 - USA

Christopher Plaisier, Assistenzprofessor für biomedizinische Technik in der Ira A. Fulton Schools of Engineering an der Arizona State University, und Samantha O'Connor, Doktorandin der biomedizinischen Technik im Plaisier-Labor, leiten die Forschung zu einem neuen Stadium des Lebenszyklus von Stammzellen, das der Schlüssel zu neuen Methoden der Hirnkrebsbehandlung sein könnte. Ihre Arbeit wurde in Molecular Systems Biologyveröffentlicht .

Christopher Plaisier/ASU

Durch die Analyse der Daten von Hirnstammzellen konnten Assistenzprofessor Christopher Plaisier und die Biomedizintechnik-Doktorandin Samantha O'Connor die Phasen des Zellzyklus detaillierter abbilden, als es bisher möglich war - die G0-Ruhephasen, einschließlich einer neuen, separaten Phase, die sie Neural G0 nannten, zusätzlich zu den Wachstumsphasen G1 und G2, der Kopierphase S und der Spaltphase M.

"Der Zellzyklus ist eine so gut untersuchte Sache, und doch schauen wir ihn uns jetzt zum x-ten Mal an, und eine neue Phase taucht auf", sagt Plaisier. "Die Biologie hat immer wieder neue Erkenntnisse für uns, man muss nur hinschauen."

Die Initialzündung für diese Entdeckung kam durch eine Zusammenarbeit mit Patrick Paddison, einem außerordentlichen Professor am Fred Hutchinson Cancer Research Center in Seattle, und Dr. Anoop Patel, einem Assistenzprofessor für neurologische Chirurgie an der University of Washington, der ebenfalls am Fred Hutchinson Cancer Research Center beteiligt ist.

Paddisons Team bat Plaisier um Hilfe bei der Analyse der Daten ihrer Hirnstammzellen, die durch einen Prozess namens Einzelzell-RNA-Sequenzierung charakterisiert wurden.

"Diese Daten erwiesen sich als ziemlich erstaunlich", sagt Plaisier. "Sie zeigten dieses wunderschöne kreisförmige Muster, das wir als alle verschiedenen Phasen des Zellzyklus identifizierten."

O'Connor entwickelte ein neues Zellzyklus-Klassifikator-Tool - genannt ccAF, oder cell cycle ASU/Fred Hutchinson, um die Zusammenarbeit zwischen den beiden Institutionen zu repräsentieren -, das einen genaueren, "hochauflösenden" Blick darauf wirft, was innerhalb der Wachstumszyklen von Stammzellen passiert und Gene identifiziert, die verwendet werden können, um den Fortschritt durch den Zellzyklus zu verfolgen.

"Unser Klassifikator dringt tiefer in den Zellzyklus ein, denn es könnte Teile geben, die wir erfassen und die wichtige Auswirkungen auf Krankheiten haben", sagt O'Connor.

Als Plaisier und O'Connor das ccAF-Tool zur Analyse der Zelldaten von Gliomtumoren einsetzten, stellten sie fest, dass sich die Tumorzellen häufig entweder im neuronalen G0- oder G1-Wachstumszustand befanden. Und je aggressiver die Tumore werden, desto weniger Zellen verbleiben im ruhenden Neural-G0-Zustand. Das bedeutet, dass mehr und mehr Zellen proliferieren und den Tumor wachsen lassen.

Sie korrelierten diese Daten mit der Prognose für Patienten mit Glioblastom, einer besonders aggressiven Art von Hirntumor. Diejenigen mit höheren Neural-G0-Werten in den Tumorzellen hatten weniger aggressive Tumore.

Sie fanden auch heraus, dass der ruhende Neural-G0-Zustand unabhängig von der Proliferationsrate eines Tumors ist, also davon, wie schnell sich seine Zellen teilen und neue Zellen bilden.

"Das war eine interessante Erkenntnis aus unseren Ergebnissen, dass die Quieszenz selbst ein anderer biologischer Prozess sein könnte", sagt Plaisier. "Es ist auch ein möglicher Punkt, an dem wir nach neuen medikamentösen Behandlungen suchen könnten. Wenn wir mehr Zellen in diesen Ruhezustand versetzen könnten, würden die Tumore weniger aggressiv werden."

Aktuelle medikamentöse Krebsbehandlungen konzentrieren sich darauf, Krebszellen abzutöten. Doch wenn die Krebszellen abgetötet werden, geben sie Zelltrümmer in die Umgebung des Tumors ab, was dazu führen kann, dass die verbleibenden Zellen resistenter gegen die Medikamente werden.

"Wenn wir also die Zellen nicht abtöten, sondern sie in einen Schlafzustand versetzen, könnte das möglicherweise eine viel bessere Situation sein", sagt Plaisier.

Mit ihrem ccAF-Tool konnten sie auch neue Zustände am Anfang und Ende des Zellzyklus finden, die zwischen den allgemein bekannten Zuständen liegen. Diese gehören zu den Themen für ihre nächste Forschungsphase.

"Wir fangen an, darüber nachzudenken, wie wir diese Zustände erforschen können, um mehr über die Biologie des Eintritts und des Austritts aus dem Zellzyklus zu erfahren, denn das sind potenziell sehr wichtige Punkte, an denen die Zellen entweder in den G1-Zustand oder in den G0-Zustand übergehen", sagt Plaisier.

Herauszufinden, was eine Zelle dazu veranlasst, in den Teilungszyklus einzutreten oder in einem G0-Ruhezustand zu verbleiben, könnte helfen, die Prozesse hinter dem Tumorwachstum zu verstehen.

"Das Hauptmerkmal eines jeden Krebses ist, dass die Zellen proliferieren", sagt Plaisier. "Wenn wir da reinkommen und herausfinden könnten, was die Mechanismen sind, könnten wir sie vielleicht verlangsamen."

Plaisier und O'Connor machen das ccAF-Klassifikator-Tool zu einem Open-Source-Tool, das in einer Vielzahl von Formaten für jeden verfügbar ist, der Einzelzell-RNA-Sequenzierungsdaten untersucht, um den Einstieg in die Untersuchung von Zellzyklen zu erleichtern.

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