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Super-resolution visualisation and manipulation of metaphase chromosomes

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Eine neue Ära der Chromosomenforschung

Chromosomenänderungen treten bei vielen Krankheitszuständen wie Krebs, Fruchtbarkeitsstörungen und Erkrankungen des Nervensystems auf. Um in Gänze zu verstehen, wie Fehler bei der Zellteilung zu Erkrankungen führen können, muss die Wissenschaft gesunde und kranke Chromosomen in ihrer ganzen Komplexität untersuchen.

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GESUNDHEIT

© koya979, Shutterstock

Die Chromosomenuntersuchung beinhaltet herkömmlicherweise die Isolierung und Präparation von Metaphasenchromosomen von mitotischen Zellen. Für In-vitro-Versuche ist dieses Verfahren jedoch ungeeignet, da die Chromosomen fixiert sind, was die Untersuchung von deren Dynamik verhindert.

Eine Mikrofluidikvorrichtung für die Isolierung und Untersuchung von Chromosomen

Zur Lösung dieses Problems wurde im Rahmen des EU-finanzierten Projekts CHROMAVISION eine bahnbrechende Bildgebungs- und Manipulationsplattform für Chromosomen entwickelt, welche die Untersuchung einzelner Chromosomen von Zellproben unter Verwendung eines superauflösenden Mikroskops ermöglicht. „Unser Instrument ermöglicht erstmals die detaillierte Untersuchung der Metaphasenchromosomenstruktur und der damit assoziierten Proteine“, erklärt Projektkoordinator Prof. Gijs Wuite. Das CHROMAVISION-Instrument kombiniert Lab-on-a-Chip-Mikrofluidik, optische Pinzetten mit mehreren Fangeinrichtungen und superauflösende Fluoreszenzmikroskopie. Einzelne Chromosomen lassen sich einfangen, indem kleine Kügelchen in Mikrometergröße an den Enden des Metaphasenchromosoms angebracht werden und die Kügelchen mit zwei optischen Pinzetten gehalten werden. Diese Kügelchen dienen dazu, das Chromosom in der Kammer der Mikrofluidikvorrichtung in einer festen Position zu halten und können die Chromosomen sogar ausdehnen, indem die Kügelchen voneinander wegbewegt werden. Das Instrument bietet zudem die Möglichkeit zur Verwendung von Laserstrahlen für Chromosomenscans, die Informationen zur Position der assoziierten Proteine liefern, welche mit fluoreszierenden Substanzen markiert wurden. Durch die Kombination der Abbildungen mehrerer wichtiger Proteine, welche das Gerüst eines Metaphasenchromosoms bilden, können die Forschenden eine 3D-Karte zum Ablauf des Chromosomenaufbaus erhalten. Die Projektpartner haben einen produktionsreifen Prototypen erstellt, den sie zu Testzwecken an verschiedene Labore versandten. Der Prototyp ermöglicht eine superauflösende molekular Bildgebung für die DNS in dem Chromosomen, einschließlich der Möglichkeit zum Testen der Elastizität eines Metaphasenchromosoms und zur Visualisierung spezifischer Proteine innerhalb des Chromosoms.

CHROMAVISION – Vorteile und Zukunftsaussichten

Laut Prof. Wuite bestand die größte Errungenschaft des Projekts in „der Entwicklung eines einzelnen Instruments, das Metaphasenchromosomen in Zellen mit Superauflösung isolieren, festhalten und abbilden kann.“ Er betont, dass dies ohne die harte und erfolgreiche Zusammenarbeit der fünf verschiedenen Forschungsteams aus drei Ländern nicht möglich gewesen wäre. Der größte Vorteil des CHROMAVISION-Instruments im Vergleich zu bestehenden Lösungen ist seine Fähigkeit zur Nutzung nicht fixierter Metaphasenchromosomen für Bildgebungs- und Manipulationsuntersuchungen. Hierdurch können die Forschergruppen die dynamischen Aspekte von Chromosomen wie die Proteinbewegung und/oder die Chromosomenausdehnung beobachten. Es vereinfacht zudem die Abbildung von DNS-Protein-Wechselwirkungen in Echtzeit auf molekularer Ebene unter nahezu physiologischen Bedingungen. Prof. Wuite ist zuversichtlich, dass die CHROMAVISION-Plattform die Grenzen des derzeit Möglichen im Bereich von Mikrofluidik und superauflösender Mikroskopie erweitern wird, und in den kommenden Jahrzehnten die Chromosomenforschung beflügeln wird. Das Instrument wird dabei helfen, wichtige Herausforderungen in der klinischen und fundamentalen Chromosomenforschung anzugehen, die möglicherweise in bahnbrechenden Entdeckungen resultieren. Eine bessere Abbildung und ein besseres Verständnis der chromosomalen Mechanismen wird unser Wissen um die Ätiologie menschlicher Erkrankungen erweitern und der Arzneimittelentdeckung zugute kommen. In klinischer Hinsicht soll das CHROMAVISION-Instrument die Diagnose und Beobachtung der Krebsheterogenität vereinfachen. Die Partner haben die zukünftige Finanzierung gesichert, um die Ergebnisse der Chromosomenanalyse zu verbessern, damit diese für die Analyse von Patientenproben geeignet ist.

Schlüsselbegriffe

CHROMAVISION, Metaphasenchromosom, Mikrofluidik, Kügelchen, superauflösend, Mikroskopie, Krebs, Dynamik, optische Pinzette, Prototyp, fluoreszierende Substanz

Projektinformationen

ID Finanzhilfevereinbarung: 665233

Status

Abgeschlossenes Projekt

  • Startdatum

    1 Juni 2015

  • Enddatum

    31 Mai 2019

Finanziert unter:

H2020-EU.1.2.1.

  • Gesamtbudget:

    € 3 567 025

  • EU-Beitrag

    € 3 567 025

Koordiniert durch:

STICHTING VU