26.02.2019 - University of Illinois at Urbana-Champaign

Wachstumsfaktoren in Einzelzellen erstmals gezählt

Ob gesund oder krank, menschliche Zellen zeigen Verhaltensweisen und Prozesse, die weitgehend von Wachstumsfaktormolekülen bestimmt werden, die an Rezeptoren auf den Zellen binden. Zum Beispiel sagen Wachstumsfaktoren den Zellen, dass sie sich teilen, bewegen und wann sie sterben sollen - ein Prozess, der als Apoptose bekannt ist.

Wenn das Niveau des Wachstumsfaktors zu hoch oder zu niedrig ist oder wenn die Zellen unregelmäßig auf ihre Richtung reagieren, können viele Krankheiten entstehen, darunter auch Krebs. "Es wird angenommen, dass Zellen auf Wachstumsfaktoren mit extremer Empfindlichkeit reagieren", sagte die University of Illinois an der Urbana-Champaign Bioengineering Associate Professor Andrew Smith. "Zum Beispiel wird ein einzelnes Molekül zu einer großen Veränderung des Zellverhaltens führen."

In einem kürzlich erschienenen Beitrag berichtete Smith über die Erfindung einer neuen Technologieplattform, die zum ersten Mal überhaupt digital zählt, wie viel Wachstumsfaktor in eine einzelne Zelle gelangt. Zuvor leiteten die Forscher die Bindung des Wachstumsfaktors aus der Reaktion der Empfängerzellen bei der Einführung der Wachstumsfaktormoleküle ab.

"Wir haben die ersten direkten Ursache-Wirkungs-Beziehungen von Wachstumsfaktoren in einzelnen Zellen gezeigt", sagte er. "Wir erwarten, dass die Ergebnisse zu einem neuen Verständnis von Zellsignalisierung führen, wie Zellen auf Medikamente reagieren und warum Zellpopulationen resistent gegen Medikamente werden, insbesondere gegen verbesserte Behandlungen von Krebs."

Smiths Technologieplattform markiert jeden Wachstumsfaktor mit einem einzigen technischen (10 Nanometer) infraroten fluoreszierenden Quantenpunkt, der dann mit einem dreidimensionalen Mikroskop betrachtet werden kann. In ihrer Studie zählten sie, wie viele Moleküle des epidermalen Wachstumsfaktors (EGF) an menschliche dreifach-negative Brustkrebszellen gebunden waren, die auf inselartigen Oberflächen vorstrukturiert waren.

EGF-Moleküle signalisieren typischerweise die Zellteilung und führen zu Gewebewachstum. Zahlreiche Krebsarten haben Mutationen in ihren EGF-Rezeptoren.

"Wir haben Quantenpunkte als Fluoreszenzsonde verwendet, weil sie viel mehr Licht emittieren als andere konventionelle Fluoreszenzsonden, wie z.B. organische Farbstoffe, und wir können ihre Wellenlängen durch Veränderung ihrer chemischen Zusammensetzung abstimmen", sagt Bioengineering-Doktorand Phuong Le, der Hauptautor der Arbeit. "In unserer Studie haben wir gezeigt, dass Quantenpunkte, die Licht im nahen Infrarotbereich emittieren, die genaueste Zählung von Wachstumsfaktoren ermöglichen, die an Zellen binden."

Laut Le behandelte das Team auch die Brustkrebszellen mit quantenpunktgetagtem EGF in Abwesenheit und Anwesenheit von Arzneimitteln, die die EGF-Signalisierung in den Zellen hemmen. "Wir haben festgestellt, dass die Menge der EGF-Bindung umgekehrt proportional zur Wirksamkeit der Medikamente ist", sagte Le. "Dieser Befund ist bedeutsam, da er bedeutet, dass Signalmoleküle, die im Tumor der Krebszellen vorhanden sind - einem Ort, an dem Signalmoleküle oft falsch reguliert werden - die Resistenz der Krebszellen gegen pharmazeutische Wirkstoffe erhöhen können."

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