Schnelle 3D-Bildgebung von mit dem Coronavirus infizierten Zellstrukturen
Um zu verstehen, wie sich Viruskrankheiten wie COVID-19 ausbreiten, konzentrierte man sich in der Wissenschaft auf die Struktur von Wirtszellen, die vom Virus befallen wurden. Die Verfahren der Fluoreszenz- und Elektronenmikroskopie, die bisher zur Visualisierung der 3D-Struktur infizierter Zellen eingesetzt wurden, sind sehr daten- und zeitintensiv. Die EU-finanzierten Projekte IndiGene und CoCID unterstützten nun ein Forschungsteam, das ein Verfahren namens Soft-Röntgen-Tomographie (SXT) mit 360-Grad-Drehung anpasste, um in weniger als 10 Minuten hochauflösende 3D-Bilder von mit dem Virus befallenen Zellen und ihren strukturellen Veränderungen zu erhalten. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Cell Reports Methods“ veröffentlicht. „Rasterelektronenmikroskope werden bei der Zellabbildung bevorzugt, da sie extrem scharfe Bilder im Nanomaßstab liefern“, erklärt die leitende Autorin Dr. Venera Weinhardt von der Universität Heidelberg, dem Projektpartner von IndiGene und CoCID in Deutschland, in einer Pressemitteilung auf der Website der Universität. „Aber diese Technologie braucht eine gute Woche, um eine einzelne Zelle zu scannen. Es generiert auch eine enorme Datenmenge, deren Analyse und Interpretation entmutigend ist. Mittels Soft-Röntgen-Tomographie erhalten wir innerhalb von fünf bis zehn Minuten verwertbare Ergebnisse.“
Das Geheimnis liegt im Halter
Obwohl mit SXT ganze Zellen abgebildet werden, konnten viele Untersuchungen virusbefallener Zellen diese Funktion nicht voll ausnutzen. Warum? Sie verwendeten flache Gitterstrukturen als Halter – also die gleichen Halter wie bei der Elektronentomographie. Wenn solche Halter geneigt werden, verändert sich die Dicke der Proben, wodurch einige Zellstrukturen verschwommen erscheinen. Weil die flache Form des Halters verhindert, dass die Zellen aus allen Winkeln gescannt werden, treten auch blinde Flecken auf. Außerdem können die Zellproben am Gitter haften oder sich ausbreiten, sodass mehrere Tomogramme zusammengefügt werden müssen, um die gesamte Zelle sichtbar zu machen. Durch diese Probleme können nur kleine Ausschnitte einer Zelle statt aller Strukturen in der Zelle abgebildet werden. Daher ist es für die Forschenden schwierig, Veränderungen im Zusammenhang einer Virusinfektion zu erkennen. „Um dieses Problem zu umgehen, sind wir auf zylindrische dünnwandige Glaskapillaren zur Aufnahme der Proben umgestiegen. Während der Mikroskopie können die Proben um volle 360 Grad gedreht und aus allen Winkeln gescannt werden“, erklärt Dr. Weinhardt. Mit diesen zylindrischen Haltern konnte das Forschungsteam in einem Tomogramm ganze Säugerzellen abbilden. Außerdem erzeugten sie in unter 10 Minuten ein Tomogramm einer menschlichen Epithelzelle aus der Lunge aus allen Winkeln. „Sie zeigten damit, dass mithilfe von SXT einzelne Viruspartikel des SARS-CoV-2 Virionen auf der Zelloberfläche und Doppelmembranvesikeln visualisiert werden können. An diesen Stellen spielt sich die RNA-Replikation des Virus im Zytoplasma der infizierten Zellen ab“, heißt es in der Studie. Das Projektteam verglich auch die Zellstrukturen von infizierten Probezellen 6 und 24 Stunden nach der Infektion. Dieser Vergleich brachte „tiefgreifende“ Veränderungen der subzellulären Struktur durch das Virus zu Tage. Die Forschungsergebnisse weisen die Möglichkeit nach, mit SXT Veränderungen in der ganzen Zelle zu visualisieren und zu quantifizieren. Das Projekt IndiGene (Genetics of Individuality) wird vom Europäischen Laboratorium für Molekularbiologie in Deutschland getragen. Das Projekt CoCID (Compact Cell-Imaging Device to provide insight into the cellular origins of diseases and to aid in the development of novel therapeutics) wird vom University College Dublin koordiniert. Weitere Informationen: IndiGene-Projekt CoCID-Projektwebsite
Schlüsselbegriffe
IndiGene, CoCID, SARS-CoV-2, Virus, Zelle, Soft-Röntgen-Tomographie, Coronavirus, COVID-19