Wiener Forschende entwickeln präzise Methode zur Herstellung zellulärer Krankheitsmodelle
St. Anna Kinderkrebsforschung entwickelt revolutionäre Methode zur gezielten Stammzellsteuerung - Hoffnung für bessere Therapien.
Die Kinderkrebsforschung steht vor einem bedeutenden Durchbruch: Forschende der St. Anna Kinderkrebsforschung in Wien haben eine neue Methode entwickelt, die es ermöglicht, aus Stammzellen präzise zelluläre Modelle herzustellen. Diese Innovation könnte sowohl das Verständnis von Kinderkrebs als auch die Entwicklung neuer Therapien revolutionieren.
Viele Krebserkrankungen im Kindesalter entstehen durch Fehlentwicklungen in frühen Wachstumsphasen. Genetische Veränderungen bringen dabei Zellen vom vorgesehenen Entwicklungsweg ab und können so die Tumorbildung auslösen. Um diese kritischen Prozesse zu verstehen, müssen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die komplexen Entwicklungsabläufe des menschlichen Körpers im Labor nachstellen - bislang ein mühsames Vorgehen nach dem Prinzip Versuch und Irrtum.
"Die Zahl der Kombinationen wächst exponentiell", erklärt Dr. Florian Halbritter, Forschungsgruppenleiter der St. Anna Kinderkrebsforschung. "Schon bei zwei Schritten und acht verschiedenen Versuchsbedingungen pro Schritt ergeben sich 64 unterschiedliche Protokolle zum Vergleichen. Bei drei Schritten sind es bereits 512 und so weiter!"
Diese exponentiell wachsende Komplexität macht es nahezu unmöglich, alle möglichen Kombinationen zu testen, da Zeit und Ressourcen in der Forschung begrenzt sind.
Das Forschungsteam um Florian Halbritter und Davide Seruggia griff ein Konzept aus dem maschinellen Lernen auf, bekannt als "Greedy Optimization". "Greedy Optimization vereinfacht die Suche, indem sie jeden Zwischenschritt bewertet und jeweils nur die beste Bedingung für den nächsten Schritt auswählt", erklärt Erstautor Luis Montano.
Mit diesem innovativen Ansatz konnten die Forschenden die Zahl der zu testenden Bedingungen deutlich reduzieren und so Zeit und Kosten sparen. Die Methode bewertet den Erfolg bereits früh im Prozess - nicht erst am Ende der Zelldifferenzierung - und hilft Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern dabei, experimentelle Bedingungen genauer zu vergleichen.
Eine entscheidende Innovation des Teams war die Verwendung der Chromatinstruktur als Messgröße für den Entwicklungsfortschritt der Zellen. Chromatin ist die strukturelle Verpackung des Genoms in den Zellen und spielt eine zentrale Rolle bei der Zelldifferenzierung.
"Die Chromatinstruktur ist entscheidend dafür, was eine Zelle ausmacht", erklärt Ko-Erstautorin Sophie Müller. "In jeder Entwicklungsphase wird das Chromatin - das die DNA verpackt - neu organisiert, um bestimmte Gene zugänglich zu machen und andere zu blockieren."
Dr. Davide Seruggia, ebenfalls Forschungsgruppenleiter der St. Anna Kinderkrebsforschung, betont die Bedeutung dieser Herangehensweise: "Mikroskopie und Durchflusszytometrie zeigen, wie Zellen aussehen, aber nicht, wie sie innerlich funktionieren. Diese Instrumente reichen nicht aus, um genau zu bestimmen, wie realitätsnah wir die natürliche Entwicklung im Labor abbilden."
Die Forschenden testeten ihre neue Methode an der Herstellung von Erythroblasten, den Vorläuferzellen der roten Blutkörperchen. Mithilfe der Chromatin-Zugänglichkeit als Messgröße verglichen sie im Labor erzeugte Zellen mit sich natürlich entwickelnden Zellen und bestimmten für jede Phase die optimalen Bedingungen.
Das Ergebnis war ein verfeinertes Protokoll zur Herstellung von Erythroblasten, das deutlich präziser ist als bisherige Methoden. Durch die Analyse subtiler Chromatinunterschiede zwischen experimentell erzeugten Zellen und natürlichen Erythroblasten konnte das Team weitere Anpassungen identifizieren, die die Modelle noch genauer machten.
Die Bedeutung dieser Forschungsarbeit geht weit über die Kinderkrebsforschung hinaus. Die in der renommierten Fachzeitschrift "Nucleic Acids Research" veröffentlichten Ergebnisse eröffnen neue Strategien zur Verbesserung zellulärer Modelle der Kinderkrebsentwicklung, die entscheidend sind, um die Entstehung von Erkrankungen besser zu verstehen und wirksamere Therapien zu entwickeln.
Besonders vielversprechend sind die Anwendungsmöglichkeiten in der regenerativen Medizin. Indem die Erzeugung spezifischer Zelltypen im Labor verbessert wird, könnte die Methode neue Wege zur Reparatur von Gewebe eröffnen, das durch Schlaganfall, Herzinfarkt oder andere Verletzungen geschädigt wurde.
Die Forscher sind optimistisch bezüglich der praktischen Umsetzung ihrer Methode. "Unsere Strategie lässt sich in den meisten Labors weltweit leicht umsetzen", sagt Halbritter. "Wir hoffen, dass sie anderen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern hilft, ihre Prozesse zu optimieren, damit sie sich auf das Wesentliche konzentrieren können: Krankheiten verstehen und neue Therapien entwickeln."
Die Erfolge der St. Anna Kinderkrebsforschung unterstreichen die Bedeutung Österreichs als Standort für medizinische Spitzenforschung. Die Institution, die sich auf die Erforschung von Krebserkrankungen bei Kindern spezialisiert hat, trägt mit dieser Arbeit zur internationalen Wissenschaftsgemeinschaft bei und stärkt Österreichs Position in der biomedizinischen Forschung.
Die neue Methode zur gezielten Steuerung von Stammzellen stellt einen wichtigen Meilenstein dar - sowohl für das bessere Verständnis von Kinderkrebs als auch für die Entwicklung innovativer Therapieansätze. Mit ihrer praktischen Anwendbarkeit und den weitreichenden Einsatzmöglichkeiten könnte diese österreichische Innovation die Stammzellforschung weltweit vorantreiben.
Die Forschungsarbeit des Teams um Halbritter und Seruggia zeigt exemplarisch, wie interdisziplinäre Ansätze - in diesem Fall die Kombination von Informatik und Biologie - zu bahnbrechenden Erkenntnissen führen können. Die Integration von Prinzipien des maschinellen Lernens in die Stammzellforschung eröffnet völlig neue Möglichkeiten für die präzise Modellierung biologischer Prozesse.
Diese Innovation kommt zu einem kritischen Zeitpunkt, da die Kinderkrebsforschung dringend bessere Modelle benötigt, um die spezifischen Mechanismen zu verstehen, die zu Krebserkrankungen im Kindesalter führen. Mit präziseren zellulären Modellen können Forschende gezielter nach neuen Therapieansätzen suchen und diese effizienter testen.
Die Veröffentlichung in "Nucleic Acids Research" macht die Methode der internationalen Forschungsgemeinschaft zugänglich und könnte zu einer breiten Adoption in Labors weltweit führen. Dies würde die Entwicklung neuer Behandlungsmöglichkeiten für krebskranke Kinder beschleunigen und gleichzeitig Fortschritte in der regenerativen Medizin ermöglichen.