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Laser-Superresolutions-Mikroskopie humaner microRNAs in metastatischen und nicht-metastatischen Tumorzellen

Es wird immer klarer, dass microRNAs unter gewissen Voraussetzungen gerade auch die paracrine Interaktion zwischen Tumorzellen und verschiedenen anderen Zelltypen, z.B. des Stromas oder des Immunsystems entscheidend mitgestalten und damit die so wichtige “Mikroumgebung” für Tumorzellen prägen können. Insbesondere hinsichtlich des Metastasierungsvorganges wurde in jüngster Zeit bekannt, dass microRNAs, die man auch im Blutstrom detektieren kann (teilweise in Exosomen), vermutlich in der Lage sind, sog. “metastatische Nischen” für “metastasierungswillige” Tumorzellen vorzubereiten.

Es ist also zunehmend klar, dass gerade auch die subzelluläre Lokalisation von microRNAs und eine damit möglicherweise verknüpfte Funktion und Dynamik wichtig sein wird, um den metastatisch relevanten Phänotyp innerhalb vieler heterogener Tumorzellen besser vorherzusagen. Bis dato war jedoch die genaue subzelluläre Sichtbarmachung kleiner RNAs durch Mikroskopie signifikant methodisch limitiert, teilweise z.B. durch ein zu niedriges Verhältnis zwischen Signal und Hintergrund, das theoretische Limit der optischen Auflösbarkeit in der Lichtmikroskopie bzw. das Diffraktionslimit, etc. (für mehr Details verweisen wir u.a. auf die angegebenene Referenzen).

Unterschiedliche Kompartiment-Zugehörigkeit

Um erstmals eine Visualisierung von microRNAs auf Einzelmolekül-, Einzelzellebene u.a. in hoch- und niedrig metastatischen Tumorzellen zu realisieren, etablierten wir ein interdisziplinäres Konsortium mit Kooperationspartnern aus der Biophysik und optischen Physik (Prof. Christoph Cremer, IMB Mainz), Lichtmikroskopie und Bioimaging (Prof. Felix Bestvater, DKFZ Heidelberg), und Experten in der Biologie von Exosomen (Prof. Peter Altevogt, DKFZ Heidelberg). Innerhalb dieses Konsortiums etablierten wir erfolgreich die Einzelmoleküldarstellung von humanen microRNAs in einzelnen fixierten Zellen per SMLM innerhalb fixierter Zellen bei einer Auflösung von 10-15nm. Besonders spannend erschien uns hierbei die Beobachtung, dass manche microRNAs innerhalb von metastatischen versus nicht metastatischen Tumorzellen offensichtlich eine unterschiedliche Kompartiment-Zugehörigkeit aufweisen. Insbesondere zeigte sich die Lokalisation innerhalb von Exosomen in metastatischen gegenüber nicht metastatischen Tumorzellen signifikant unterschiedlich.

Entsprechend glauben wir, dass unsere Methodik zukünftig diagnostisch dazu beitragen kann, in einem heterogenen Pool von Tumorzellen metastatisch relevante Zellen von anderen zu unterscheiden. Darüberhinaus öffnet die Methodik sicherlich Türen für die Einzelzell-, Einzelmolekül-Detektion und funktionelle Analyse weiterer nicht-kodierender RNAs und, in angestrebter Weiterentwicklung, ihre Untersuchung auf Einzelmolekül-Ebene in menschlichen Geweben.

Laufende Aktivitäten unserer Abteilung sind entsprechend darauf gerichtet, solche und ähnliche Technologien für eine zukünftige präzisere Differenzialdiagnostik am Menschen in weiterer Zusammenarbeit mit Kollegen aus dem Bereich makroskopisches Imaging und Radiomics (e.g., Prof. Stefan Schönberg, M2Olie) nutzbar zu machen und die Entwicklung einer zukünftigen Generation von Imagingtechnologien für z.B. die Metastasierungsprävention und, idealerweise, einer mikroskopischen Risikoklassifikation vor radiologischem Sichtbarwerden einer Metastase am Tumorpatienten zu fördern.

Ausgewählte Publikationen

Superresolutions-Mikroskopie

  • Oleksiuk O, Abba M, Tezcan KC, Schaufler W, Bestvater F, Patil N, Birk U, Hafner M, Altevogt P, Cremer C, Allgayer H. Single-Molecule Localization Microscopy allows for the analysis of cancer metastasis-specific miRNA distribution on the nanoscale. Oncotarget. 2015 Nov 5.
    http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26561203
  • Prakash K, Fournier D, Redl S, Best G, Borsos M, Tiwari VK, Tachibana-Konwalski K, Ketting RF, Parekh SH, Cremer C, Birk UJ. Superresolution imaging reveals structurally distinct periodic patterns of chromatin along pachytene chromosomes. Proc Natl Acad Sci U S A. 2015 Nov 24;112(47):14635-40.
    http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26561583
  • Zurek-Biesiada D, Szczurek AT, Prakash K, Mohana GK, Lee HK, Roignant JY, Birk U, Dobrucki JW, Cremer C. Localization microscopy of DNA in situ using Vybrant® DyeCycle™ Violet fluorescent probe: A new approach to study nuclear nanostructure at single molecule resolution. Exp Cell Res. 2015 Sep 1. pii: S0014-4827(15)30080-X.
    http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26341267
  • Szczurek AT, Prakash K, Lee HK, Zurek-Biesiada DJ, Best G, Hagmann M, Dobrucki JW, Cremer C, Birk U. Single molecule localization microscopy of the distribution of chromatin using Hoechst and DAPI fluorescent probes. Nucleus. 2014 Jul-Aug;5(4):331-40.
    http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25482122
  • Cremer C, Kaufmann R, Gunkel M, Pres S, Weiland Y, Müller P, Ruckelshausen T, Lemmer P, Geiger F, Degenhard S, Wege C, Lemmermann NA, Holtappels R, Strickfaden H, Hausmann M. Superresolution imaging of biological nanostructures by spectral precision distance microscopy. Biotechnol J. 2011 Sep;6(9):1037-51. Review.
    http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21910256

micro RNAs

  •  Abba M, Mudduluru G, Allgayer H. MicroRNAs in cancer: small molecules, big chances. Anticancer Agents Med Chem. 2012 Sep;12(7):733-43. Review.
    http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22292749
  • Rusek AM, Abba M, Eljaszewicz A, Moniuszko M, Niklinski J, Allgayer H. MicroRNA modulators of epigenetic regulation, the tumor microenvironment and the immune system in lung cancer. Mol Cancer. 2015 Feb 7;14:34. doi: 10.1186/s12943-015-0302-8. Review.
    http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25743773
  • Utikal J, Abba M, Novak D, Moniuszko M, Allgayer H Function and significance of MicroRNAs in benign and malignant human stem cells. Semin Cancer Biol. 2015 Dec;35:200-11. doi: 10.1016/j.semcancer.2015.07.001. Epub 2015 Jul 17. Review.
    http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26192966
  • Abba ML, Patil N, Leupold JH, Allgayer H. MicroRNA Regulation of Epithelial to Mesenchymal Transition. J Clin Med. 2016 Jan 14;5(1). Review.
    http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26784241

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