Neue molekularzytogenetische Strategien für die Analyse seltener Zellen

Aufgrund fehlender Methoden wurde bis zum heutigen Zeitpunkt nur selten eine molekulargenetische Analyse von Einzelzellen durchgeführt. In vielen Bereichen aber, wie beispielsweise den Tumoren, ist sie von entscheidender Bedeutung. Das Auftreten eines genetisch heterogenen Musters in einem Tumor könnte die Suche nach krankheitsauslösenden oder -fördernden Veränderungen erschweren. Auch bei der Untersuchung von seltenen Zellen (so genannte „rare cell events“), z.B. bei einer minimalen residualen Tumorerkrankung sind geeignete Methoden zur Einzelzellanalyse notwendig, da nur wenig Material zur Verfügung steht. Ziel dieser Doktorarbeit war es, zwei molekulargenetische Analysemethoden zu etablieren, weiterzuentwickeln und in einer geeigneten Strategie bei der Untersuchung von disseminierten Tumorzellen bei fünf Mammakarzinomen einzusetzen. Im ersten Teil der Doktorarbeit erfolgte die Auswahl eines geeigneten Markierungssystems für die Identifizierung disseminierter Tumorzellen im Knochenmark. Die Benutzung des pan-Zytokeratin Antikörpers A45 B/B3 direkt konjugiert mit dem Fluoreszenzfarbstoff Cy3 oder FluorX zeigte in verschiedenen Testsystemen die besten Ergebnisse. Sowohl seine Spezifität als auch die Durchführbarkeit einer Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) war möglich. Anhand disseminierter Tumorzellen von Nierentumoren wurde die Möglichkeit einer Untersuchung mittels zweier Interphase FISH Ansätze überprüft. Die Hybridisierung der Zentromernahen YAC Sonden konnte auf dem Knochenmarksgewebe bei pan-Zytokeratin positiven Zellen nach Erproben mehrerer Protokolle nicht durchgeführt werden, allerdings war die Hybridisierung von Zentromersonden erfolgreich. Die Optimierung des veröffentlichten Protokolls zur Einzelzell CGH (C. Klein et al. 1999; N. Stöcklein et al.2002) war das zweite Ziel der Arbeit. Diese Optimierung war notwendig, weil sich das ursprünglich publizierte Protokoll als Artefakt anfällig herausstellte. Durch die in dieser Arbeit beschriebenen Protokollveränderungen konnte die für Einzelzell Analysen notwendige Reproduzierbarkeit erreicht werden. Als Testsystem wurde eine molekulargenetisch ausreichend charakterisierte und in ihren Veränderungen stabile Zelllinie gewählt (RCC-26). Die ersten Versuche zur Einzelzellanalyse zeigten Veränderungen in der Zelllinie, die in allen vorangegangenen Analysen mit etablierten Techniken (M-FISH und CGH) nicht gezeigt werden konnten. Eine Optimierung des Protokolls führte zu übereinstimmenden Ergebnissen von Einzelzell CGH, CGH und M-FISH. Anschließend konnte die Reproduzierbarkeit dieser Methode anhand der Zelllinie RCC-26 gezeigt werden. Die Anwendung beider Methoden zur Analyse von seltenen Zellen wurde mit der Untersuchung von fünf Mammakarzinomen dargelegt. Der Vergleich von Primärtumor und kultivierten disseminierten Tumorzellen ins Knochenmark zeigte im Rahmen der untersuchten Fälle gemeinsame molekulargenetische Veränderungen beider Tumorentitäten. Mit der Anwendung dieser neuen Methoden ist es möglich detaillierte Informationen über seltene Zellen zu erhalten und diese in den biologischen Kontext einzuordnen

Multicolor Deconvolution Microscopy of Thick Biological Specimens

One limitation in understanding disease at the cellular level has been the inability to efficiently analyze DNA on a cell-to-cell basis within the natural tissue context. However, DNA analyses at a single-cell resolution should be instrumental for the understanding of cancer cell biology, cancer evolution, for chromosomal mosaic analysis and rare cell events, and should provide otherwise inaccessible information on essential biological processes. Here we present a fluorescence in situ hybridization-based multicolor deconvolution technique for three-dimensional microscopy. We use up to seven different color channels for probe detection, which allows the simultaneous high-resolution localization of multiple point-like sources within a biological specimen with a thickness of up to 30 μm. In addition, a DNA counterstain is used for volume labeling of the nuclei offering the opportunity for a simultaneous segmentation of nuclei. Furthermore, as the instrumentation consists of a standard fluorescence microscope it represents a low-cost method as compared to confocal microscopy

An engineered 3D human airway mucosa model based on an SIS scaffold

AbstractTo investigate interrelations of human obligate airway pathogens, such as Bordetella pertussis, and their hosts test systems with high in vitro/in vivo correlation are of urgent need. Using a tissue engineering approach, we generated a 3D test system of the airway mucosa with human tracheobronchial epithelial cells (hTEC) and fibroblasts seeded on a clinically implemented biological scaffold. To investigate if hTEC display tumour-specific characteristics we analysed Raman spectra of hTEC and the adenocarcinoma cell line Calu-3. To establish optimal conditions for infection studies, we treated human native airway mucosa segments with B. pertussis. Samples were processed for morphologic analysis. Whereas our test system consisting of differentiated epithelial cells and migrating fibroblasts shows high in vitro/in vivo correlation, hTEC seeded on the scaffold as monocultures did not resemble the in vivo situation. Differences in Raman spectra of hTEC and Calu-3 were identified in distinct wave number ranges between 720 and 1662 cm−1 indicating that hTEC do not display tumour-specific characteristics. Infection of native tissue with B. pertussis led to cytoplasmic vacuoles, damaged mitochondria and destroyed epithelial cells. Our test system is suitable for infection studies with human obligate airway pathogens by mimicking the physiological microenvironment of the human airway mucosa