Forschende des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts (MPL) haben die Zuckerhülle menschlicher Zellen kartiert. Die räumliche Anordnung spiegelt den Zellzustand wider – und könnte künftig neue Wege in der Tumordiagnostik eröffnen.
Die Glycocalyx ist eine Zuckerstruktur, die wie ein Art Mantel alle menschlichen Zellen umgibt. Als erster Teil der Zelle interagiert sie mit der Umgebung. Dabei ist die räumliche Anordnung der hochkomplexen Zuckerstrukturen keineswegs starr, sondern verändern sich fortwährend. Die unabhängige Forschungsgruppe ›Physikalische Glycowissenschaften‹ unter der Leitung von Prof. Leonhard Möckl am MPL erforscht die Zellbiologie der Glycocalyx.
Mit einer neuen Methode namens ›Glycan Atlassing‹ konnten die Wissenschaftler*innen erstmals nachweisen, wie die räumliche Anordnung der Zuckerstrukturen mit dem physiologischen Zellzustand zusammenhängt. Unter Einsatz modernster superhochauflösender Mikroskopietechnologie wurden unterschiedliche Zelloberflächen, von Zellkulturlinien bis hin zu primären menschlichen Blutzellen und primären Gewebeschnitten, auf der Ebene einzelner Zuckerstrukturen kartiert. Auf diese Weise erstellte die Forschungsgruppe eine „Landkarte“ der Glycocalyx. Mit diesem Ansatz konnte gezeigt werden, dass sich die räumliche Anordnung der Glycocalyx auf molekularer Ebene bei Änderung des Zellzustandes „verschiebt“. Zum Beispiel waren auf Immunzellen die Zuckerbausteine anders zueinander angeordnet, wenn die Immunzellen stimuliert wurden, so wie es bei der Immunantwort der Fall wäre. Es wurde erstmals der direkte Nachweis erbracht, dass die Glycocalyx auf der Zelloberfläche wie ein „Bildschirm“ Informationen über den Zellzustand nach außen anzeigt.
Die gewonnenen Daten zur räumlichen Anordnung der Glycocalyx im Nanometerbereich trennen die Profile unterschiedliche Zellzustände zuverlässig. Die Forscher*innen konnten verschiedene Stadien der Krebsentwicklung unterscheiden, aktivierte gegenüber nicht-aktivierten Immunzellen erkennen und Tumor- gegenüber Nicht-Tumor-Bereichen in menschlichem Brustgewebe abgrenzen. Die wissenschaftlichen Erkenntnisse belegen, dass die Zelloberfläche als strukturierte Anzeige nach außen funktioniert und sich mit einem standardisierbaren Verfahren auslesen lässt. „Die Ergebnisse liefern eine vielversprechende Grundlage für die Entwicklung zukünftiger Diagnoseverfahren, da Glycan Atlassing auch in komplexen Proben validierte Ergebnisse liefert“, erläutert Möckl, Studienleiter und Korrespondenzautor.
Im nächsten Schritt soll die Methode auf weitere Zielstrukturen angewendet und automatisiert werden. Ziel des Teams ist es, die Probenzahl zu erhöhen, um das Verfahren für die routinemäßige medizinische Anwendung nutzbar zu machen. „In breit angelegten Studien möchten wir prüfen, welche Oberflächenmuster mit bestimmten Krankheitsverläufen oder Therapieantworten zusammenhängen und wie sich Zellzustände über die Oberfläche früh und objektiv erfassen lassen“, erläutert Möckl die künftigen Vorhaben seines Teams.
Quelle: Pressemitteilung Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts
Bildunterschrift: Prof. Leonhard Möckl, Leiter der Forschungsgruppe ›Physikalische Glycowissenschaften‹. © Stephan Spangenberg
