Technologieplattform für Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Wissenschaftlicher Fortschritt gerade in den Lebenswissenschaften wird oft durch neuartige technologische Entwicklungen erst ermöglicht. Insofern ist es wichtig, in einer klinischen Forschergruppe auch neuartige Technologien zur Verfügung zu stellen, diese spezifisch für die Fragestellungen der anderen Teilprojekte weiterzuentwickeln und die grundsätzliche Anwendbarkeit dieser Technologien zu erproben. Genau das war die Aufgabe des Teilprojekts Technologieplattform (TPT). Die von Prof. Petra Schwille maßgeblich entwickelte Technologie der Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS) und Fluorescence Cross-Correlation Spectroscopy (FCCS) war elementarer Bestandteil der Forschung. Dr. Wolfgang Staroske war der Experte für beide Einzelmolekültechniken und als solcher zentraler Ansprechpartner in der Light Microscopy Facility des Biotechnologischen Zentrums für alle KFO 249 Gruppen. In dieser Funktion konnte er alle konkreten gesteckten Ziele erreichen: die Anwendung der 3-Farben FCCS trug in TP4-Lee- Kirsch/Tüngler zu einer Publikation bei und FCS/FCCS wurde durch Kombination mit einer optischen Falle auch für nicht-aktivierte und nicht-adhärente Immunzellen zugänglich gemacht. Eine personelle Änderung ging einher mit einem Wechsel der Technologien hin zu Real-Time Deformability Cytometry (RT-DC), einer neuartigen Hochdurchsatz Methode zur seriellen Charakterisierung der morpho-rheologischen Eigenschaften von Zellen. Mit RT-DC können bis zu 1.000 Zellen/Sekunde analysiert werden, was einer Durchsatzerhöhung im Vergleich zu konventionellen Methoden um mehr als das 10.000-fache entspricht. RT-DC wurde z.B. in TP5-Günther dazu verwendet, um die Aktivierung von Neutrophilen über deren mechanischen Phänotyp nachzuweisen. Die bei dieser Methode entstehenden riesigen, multi-parametrigen Datensätze konnten nur mithilfe von modernen Machine-Learning Ansätzen sinnvoll ausgewertet werden. Dr. Yan Ge untersuchte konkret die Möglichkeit, nur anhand der markierungsfreien, bildbasierten Parameter von RT-DC die Verwendung von Fluoreszenzmarkern zu ersetzen. Außerdem entwickelte er das völlig neuartige Konzept des „Systems Mechanomics“, wobei durch Korrelation von Transkriptom-Daten mit mechanischen Messungen die wichtigsten funktionalen Module in Gen-Netzwerken identifiziert werden können, die für die Kontrolle der mechanischen Eigenschaften von Zellen verantwortlich sind. Dieser Ansatz, von der molekularen Ebene skalenübergreifend auf gesamtzelluläre physikalische Eigenschaften zu schließen, ist völlig neu und wird in den Folgejahren weiterentwickelt werden. Es besteht die Hoffnung, dass im Umkehrschluss irgendwann einmal eine mechanische Messung von Zellen dazu beitragen kann, die zugrundeliegenden molekularen Vorgänge besser zu verstehen, und dieser Ansatz auch im Bereich der Autoimmun- und Autoinflammationserkrankungen zu neuartigen Erkenntnissen führt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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SAMHD1 prevents autoimmunity by maintaining genome stability. Ann Rheum Dis 2014;74(3):e17
Kretschmer S, Wolf C, König N, Staroske W, Guck J, Häusler M, Luksch H, Nguyen LA, Kim B, Alexopoulou D, Dahl A, Rapp A, Cardoso MC, Shevchenko A, Lee-Kirsch MA
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Real-time deformability cytometry: on-the-fly cell mechanical phenotyping. Nat Methods 2015;12:199-202
Otto O, Rosendahl P, Mietke A, Golfier S, Herold C, Klaue D, Girardo S, Pagliara S, Ekpenyong A, Jacobi A, Wobus M, Töpfner N, Keyser U, Mansfeld J, Fischer-Friedrich E, Guck J
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Enzymatically inactive procaspase 1 stabilizes the ASC pyroptosome and supports pyroptosome spreading during cell division. J Biol Chem 2016;291:18419-18429
Stein R, Kapplusch F, Heymann MC, Russ S, Staroske W, Hedrich CM, Rösen-Wolff A, Hofmann SR
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Real-time fluorescence and deformability cytometry. Nat Methods 2018;15:355-358
Rosendahl P, Plak K, Jacobi A, Kräter M, Töpfner N, Otto O, Herold C, Winzi M, Herbig M, Ge Y, Girardo S, Wagner K, Baum B, Guck J
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Toll-like receptor-mediated upregulation of CXCL16 in psoriasis orchestrates neutrophil activation. J Invest Dermatol 2018;138(2):344-354
Steffen S, Abraham S, Herbig M, Schmidt F, Blau K, Meisterfeld S, Beissert S, Guck J, Günther C
