Phänotypisches Screening zur toxikologischen Bewertung von Umweltchemikalien

Veränderungen des inneren und äußeren Erscheinungsbildes – der Morphologie – von Zellen können wichtige Hinweise auf die Entstehung von Krankheiten, wie Krebs, liefern. Mit Hilfe von phänotypischen Screening-Verfahren können mögliche Einflüsse von Umweltchemikalien auf die Morphologie von Zellen sowie die Verteilung einzelner Zell-Bestandteile und Proteine frühzeitig erkannt werden. Die somit gewonnenen Erkenntnisse über die Wirkungsweise der untersuchten Chemikalien unterstützen letztendlich die Bewertung möglicher Gesundheitsgefahren für den Menschen. Dieser Prozess wird in unserem Projektvideo näher veranschaulicht.

Cell Painting

Unter Verwendung des sogenannten Cell Paintings werden sieben Fluoreszenzfarbstoffe eingesetzt, um verschiedene Bestandteile einer Zelle anzufärben, darunter das Zytoskelett, die Mitochondrien, die Lysosomen, die Zellmembran, der Zellkern, das Endoplasmatische Retikulum und der Golgi-Apparat. Diese Zell-Bilder werden anschließend mit Hilfe der Bildanalyse-Software CellProfiler automatisiert ausgewertet. Anhand der für jede Zelle gemessenen morphologischen Eigenschaften (Intensität, Struktur, Form, Größe und Abstand der Zellbestandteile) können letztendlich phänotypische Profile erstellt werden, die Effekte von Chemikalien auf die Zellen widerspiegeln. Die Messwerte werden anschließend mittels der Datenanalyse-Software KNIME weiterverarbeitet um sogenannte Cluster- und Benchmark-Analysen durchzuführen. Dabei werden jene Chemikalien erkannt und zusammengefasst, die zu ähnlichen morphologischen Profilen führen.



Abbildung 1: Färbung von Zellbeständen durch Cell Painting. Mit Hilfe des Cell Paintings wurden die einzelnen Bestandteile von Zellen unterschiedlicher Gewebe (Knochen, Brust, Leber, Darm, Lunge) angefärbt. Veränderungen der Morphologie dieser Zellbestandteile können Hinweise auf schädigende Effekte von Umweltchemikalien geben.

4i-Methode

Mit der neuartigen Immunofluoreszenz-Färbemethode 4i (für Iterative Indirect Immunofluorescence Imaging) kann die Verteilung von mindestens 20 unterschiedlichen Proteinen in derselben Probe sichtbar gemacht werden. In einem sich wiederholenden Prozess werden dabei die Zellen mit einzelnen Antikörpern gefärbt, mikroskopiert und anschließend die Antikörper zur Vorbereitung eines weiteren Färbezyklus wieder entfernt. Die Analyse und Auswertung der so gewonnenen Zell-Bilder erfolgt auf einem ähnlichen Weg, wie bereits für das Cell Painting beschrieben. Durch Überlagerung der Verteilungsmuster lassen sich letztendlich spezifische Protein-Landkarten (protein maps) für einzelne Zellen erstellen.

Abbildung 2: Färbung verschiedener Proteine durch 4i. Mit Hilfe der 4i-Methode wurde die Verteilung verschiedenster Proteine innerhalb einer einzigen Zelle visualisiert, mittels Bildanalyse-Software analysiert und letztendlich zu einer Protein-Landkarte (protein map, rechts unten beispielhafte Darstellung) zusammengefasst.

Aktuelle Drittmittelprojekte

Die beschriebenen phänotypischen Screening-Verfahren bilden einen Schwerpunkt in den Verbundprojekten “RISK-HUNT3R” und "MORPHEUS".