Mit Röntgentomographie zur 3D-Bildgebung von Zellstrukturen in wenigen Minuten

Virale Krankheitserreger wie das Coronavirus SARS-CoV-2 verändern die innere Struktur der von ihnen infizierten Zellen. Diese Veränderungen treten auf der Ebene einzelner Zellbestandteile – Organellen – auf und können Aufschluss darüber geben, wie sich Viruserkrankungen entwickeln. Um sie zu visualisieren, sind sehr leistungsfähige bildgebende Verfahren erforderlich, aber diese Methoden erfordern extreme Daten und Zeit. Ein deutsch-amerikanisches Forscherteam um Dr. Venera Weinhardt am Center for Organic Studies (COS) der Universität Heidelberg hat kürzlich ein spezielles Röntgenverfahren – die sogenannte Röntgentomographie – verbessert, um hochauflösende 3D-Bilder zu liefern ganzer Zellen und ihrer molekularen Struktur in wenigen Minuten.

Rasterelektronenmikroskope werden für die zelluläre Bildgebung bevorzugt, da sie kristallklare Bilder im Nanomaßstab liefern. Aber diese Technik braucht eine gute Woche, um eine einzelne Zelle zu untersuchen. Es produziert auch eine riesige Datenmenge, die schwer zu analysieren und zu interpretieren ist. Mit der Röntgen-Computertomographie erhalten wir innerhalb von fünf bis zehn Minuten verwertbare Ergebnisse. „

Venera Weinhardt, Post-Doc, COS und Lawrence Berkeley National Laboratory in Berkeley (USA)

Ein hoher Durchsatz sei für die Untersuchung vieler Zellen enorm wichtig, sagt der Molekularvirologe Prof. Dr. Ralf Bartenschlager, dessen Abteilung am Universitätsklinikum Heidelberg mit Dr. Weinhardt zusammenarbeitet, um die zellulären Veränderungen im Zusammenhang mit einer Virusinfektion abzubilden. Und der Wissenschaftler fügt hinzu, dass in Geweben oft nur einige Zellen betroffen sind. Nur diese Zellen geben Auskunft über Veränderungen, die direkt aus einer Infektion resultieren. Eine Suche nach diesen Zellen mit einem Rasterelektronenmikroskop ist jedoch nicht möglich.

Mit einem als Röntgentomographie (SXT) bezeichneten Verfahren konnten bereits einzelne Viruspartikel – sogenannte Viren – verschiedener Virenarten und die damit verbundenen Zellveränderungen erfolgreich nachgewiesen werden. Nun haben die Forscher mit dieser Technologie mit SARS-CoV-2 infizierte Zellkulturen aus Lungen- und Nierengewebe untersucht. Mit weichen Röntgenstrahlen konnten sie ganze Zellen und ihre Strukturen in fünf bis zehn Minuten dreidimensional abbilden. Die Forscher konnten auch Cluster von SARS-CoV-2-Partikeln auf Zelloberflächen nachweisen sowie virusbedingte Veränderungen innerhalb der Zelle identifizieren. Strukturen, die wahrscheinlich eine Virusreplikation und -verbreitung ermöglichen, wurden aufgedeckt.

Der Erfolg des Teams hängt laut Dr. Weinhardt vor allem von einer Technologie ab, die es ihnen ermöglicht, etablierte Zellen zu untersuchen, also Zellen, die chemisch behandelt wurden, um das Virus zu deaktivieren. Typischerweise werden bei der Röntgentomographie wie bei der Elektronentomographie flache Netzhautstrukturen als Träger verwendet. Beim Kippen kann sich die Dicke der Proben ändern, wodurch einige Zellstrukturen verschwommen erscheinen. „Blinde“ Flecken entstehen auch, weil die flache Form des Ständers eine Untersuchung der Zellen aus allen Blickwinkeln verhindert. Ein weiteres Dilemma besteht darin, dass Proben am Netz kleben oder sich ausbreiten können, was eine Mehrfachtomographie erfordert, um die gesamte Zelle sichtbar zu machen. „Um dieses Problem zu lösen, sind wir auf dünne zylindrische Glaskapillaren zur Aufnahme der Proben umgestiegen. Während der Mikroskopie können die Proben um 360 Grad gedreht und aus allen Winkeln untersucht werden“, erklärt der Forscher. Das Team arbeitet nun daran, die Probenvorbereitungstechniken zu verbessern, die Analyse von 3D-Bilddaten zu automatisieren und eine Laborversion des weichen Röntgenmikroskops zu entwickeln.

Die Forschung in Heidelberg wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), dem Europäischen Forschungsrat (ERC) und dem Rahmenprogramm „Horizon 2020“ der Europäischen Union gefördert. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Cell Reports Methods veröffentlicht.