Dreidimensionale Analyse der Wachstumsmuster und Therapie-Evasionsmechanismen beim Pankreaskarzinom in ganzen Organen und Gewebsplatten unter Verwendung der aktiven und passiven SHANEL-Technologie
Pathologie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Pankreaskarzinom ist eine der aggressivsten Krebsarten und wird zum Ende dieser Dekade den dritten Platz der zum Tode führenden Krebserkrankungen einnehmen. Fortschritte in der Therapie hängen immer von einem tiefgreifenden Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen des Tumorwachstums und der Metastasierung ab. Im Vergleich zu anderen Tumoren im Gastrointestinaltrakt, kommt es beim Pankreaskarzinom überdurchschnittlich häufig zu einem Einbruch der Krebszellen in die Gefäße und Nerven, die das Pankreas durchziehen. Diese Eigenschaft wird mit der Aggressivität des Tumors in Verbindung gebracht, da über die Gefäß- und Nervenstraßen eine Metastasierung wahrscheinlich begünstigt und das lokale Wachstum der Krebszellen gefördert wird. Das Ziel meines Projektes war es daher, das Wachstum von Pankreaskarzinomzellen in humanen Operationspräparaten auf mikroskopischer Ebene in 3D zu untersuchen. Die bisherigen Untersuchungen der Gefäß- und Nerveninfiltration in Operationspräparaten basieren vor allem auf konventionellen zweidimensionalen histologischen Schnitten, wie sie auch für die tägliche Diagnostik von Tumorerkrankungen eingesetzt werden. Diese Schnitte sind ca. 4-6µm (0,0004 – 0,0006cm) dick und variieren in Länge und Breite zwischen weniger als 0,5cm bis ca. 1.5cm. Zum Vergleich ist ein Tumor im Pankreaskopf ca. 2,5 – 3,0cm im Durchmesser. Ein einziger Slide repräsentiert also nur 0,01 – 0,02% des Gesamtdurchmessers des Tumors. Dies reicht für die meisten klinischdiagnostischen Fragestellungen oft aus, stellt aber signifikante Limitationen für die wissenschaftliche Untersuchung von Wachstumsmustern dar. Gefäße und Nerven, sowie auch z.T. tubulär wachsende Krebszellen werden nur partiell angeschnitten. Wir konnten durch die Weiterentwicklung sogenannter Tissue Clearing Verfahren kombiniert mit einer dreidimensionalen Bildgebung in einem speziellen Mikroskop erreichen, Gewebe bis zu einer Dicke von 0,4 – 0,5cm zu untersuchen. Die Darstellung Von Krebszellen und Nerven wurde durch deren Markierung mittels Nano-Antikörpern und konventionellen Antikörpern erreicht. Diese wurden den Prinzipien der Immunfluoreszenz folgend mit Fluorophoren markiert, die bei Erregung durch den Laser im Rahmen der Light-Sheet Mikroskopie in verschiedenen Wellenlängen Licht emittierten. Hierdurch konnten wir diese dickeren Gewebestücke optisch in 3µm dicke Einzelbilder sektionieren, welche wir dann digital zu dreidimensionalen Bildern wieder zusammensetzen konnten. In einem weiteren Schritt konnten wir diese Zielstrukturen rendern und damit in ein computer-interpretierbares Format übertragen, was uns erlaubt, standardisierte Analysen durchzuführen. Wir konnten existierende Algorithmen der 3D-Bildanalyse (Skelettierung) optimieren. Wir definierten invasive Protrusionen von Krebszellen anhand ihrer Breite und Länge. Diese können wir nun in eine räumliche Beziehung zu den Nerven stellen. Das übergeordnete Ziel hierbei ist, ein direktionales (gerichtetes) Wachstum der Krebszellen hin zu den Nerven von einem zufälligen Wachstum zu unterscheiden und den Einfluss einer präoperativen Chemotherapie auf das Wachstum der Krebszellen in 3D zu untersuchen. Die Voraussetzungen hierfür konnten wir durch unsere Vorarbeiten schaffen und aktuell werden 30 Tumorproben, die bereits mikroskopiert und in 3D vorliegen, durch die Analysepipeline bearbeitet.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Three-dimensional genomic mapping of human pancreatic tissue reveals striking multifocality and genetic heterogeneity in precancerous lesions.
Braxton, Alicia M.; Kiemen, Ashley L.; Grahn, Mia P.; Forjaz, André; Babu, Jaanvi Mahesh; Zheng, Lily; Jiang, Liping; Cheng, Haixia; Song, Qianqian; Reichel, Rebecca; Graham, Sarah; Damanakis, Alexander I.; Fischer, Catherine G.; Mou, Stephanie; Metz, Cameron; Granger, Julie; Liu, Xiao-Ding; Bachmann, Niklas; Almagro-Pérez, Cristina ... & Wood, Laura D.
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Tissue clearing and 3D reconstruction of digitized, serially sectioned slides provide novel insights into pancreatic cancer. Med, 4(2), 75-91.
Kiemen, Ashley L.; Damanakis, Alexander Ioannis; Braxton, Alicia M.; He, Jin; Laheru, Daniel; Fishman, Elliot K.; Chames, Patrick; Pérez, Cristina Almagro; Wu, Pei-Hsun; Wirtz, Denis; Wood, Laura D. & Hruban, Ralph H.
