Einsatz von Soft-Röntgentomographie zur 3D-Bildgebung von Zellstrukturen in Minuten

Virale Krankheitserreger wie das Coronavirus SARS-CoV-2 verändern die innere Struktur der Zellen, die sie infizieren. Diese Veränderungen treten auf der Ebene einzelner Zellbestandteile – den Organellen – auf und können Aufschluss darüber geben, wie sich Viruserkrankungen entwickeln. Zur Visualisierung sind extrem leistungsfähige bildgebende Verfahren erforderlich, die jedoch sehr daten- und zeitintensiv sind. Ein deutsch-amerikanisches Forscherteam um Dr. Venera Weinhardt am Center for Organic Studies (COS) der Universität Heidelberg hat kürzlich ein spezielles Röntgenverfahren – die sogenannte Soft-Röntgentomographie – optimiert, um hochauflösende dreidimensionale Bilder zu erzeugen . ganzer Zellen und ihrer molekularen Struktur in wenigen Minuten.

Rasterelektronenmikroskope werden bei der Zellabbildung bevorzugt, da sie extrem scharfe Bilder im Nanomaßstab liefern. Aber diese Technologie braucht eine gute Woche, um eine einzelne Zelle zu scannen. Es erzeugt auch eine enorme Datenmenge, die schwer zu analysieren und zu interpretieren ist. Mittels Soft-Röntgen-Tomographie erhalten wir innerhalb von fünf bis zehn Minuten brauchbare Ergebnisse.“

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

Für die Untersuchung zahlreicher Zellen ist ein hoher Durchsatz extrem wichtig, so der Molekularvirologe Prof. DR. Ralf Bartenschlager, dessen Abteilung am Universitätsklinikum Heidelberg mit Dr. Weinhardt zusammenarbeitet, um zelluläre Veränderungen im Zusammenhang mit Virusinfektionen sichtbar zu machen. Im Gewebe, so der Wissenschaftler, sei oft nur ein Teil der Zellen infiziert. Nur diese Zellen geben Auskunft über die Veränderungen, die direkt aus der Infektion resultieren. Eine Durchsuchung dieser Zellen mit einem Rasterelektronenmikroskop ist jedoch nicht möglich.

Mit dem als Soft-Röntgen-Tomographie (SXT) bezeichneten Verfahren konnten bereits einzelne Viruspartikel – sogenannte Virionen – verschiedener Virenarten und die damit verbundenen Zellveränderungen erfolgreich nachgewiesen werden. Nun nutzten die Forscher die Technologie, um mit SARS-CoV-2 infizierte Zellkulturen aus Lungen- und Nierengewebe zu untersuchen. Mit weichen Röntgenstrahlen konnten sie innerhalb von fünf bis zehn Minuten komplette Zellen und deren Struktur dreidimensional abbilden. Die Forscher konnten auch Gruppen von SARS-CoV-2-Partikeln auf Zelloberflächen nachweisen sowie virusbedingte Veränderungen im Zellinneren identifizieren. Es wurden Strukturen aufgedeckt, die die Replikation und Verbreitung des Virus ermöglichen.

Der Erfolg des Teams hing laut Dr. Weinhardt maßgeblich von der Technologie ab, die es ihnen ermöglicht, feste Zellen zu untersuchen, also Zellen, die chemisch behandelt wurden, um das Virus zu inaktivieren. Typischerweise werden bei der weichen Röntgentomographie wie bei der Elektronentomographie als Behälter flache Gitterstrukturen verwendet. Beim Kippen kann sich die Dicke der Proben ändern, wodurch einige Zellstrukturen undeutlich erscheinen. „Blinde“ Flecken treten auch auf, weil die flache Form des Behälters verhindert, dass die Zellen in allen Winkeln gescannt werden. Ein weiteres Dilemma besteht darin, dass die Proben am Raster kleben oder sich ausbreiten können, sodass mehrere Tomogramme erforderlich sind, um die gesamte Zelle zu visualisieren. „Um dieses Problem zu umgehen, sind wir auf zylindrische dünnwandige Glaskapillaren zur Aufnahme der Proben umgestiegen. Während der Mikroskopie können die Proben um volle 360 ​​Grad gedreht und aus allen Winkeln gescannt werden“, erklärt der Forscher. Das Team arbeitet nun daran, Probenvorbereitungstechniken weiter zu verfeinern, die Analyse der 3D-Bilddaten zu automatisieren und eine Laborversion eines weichen Röntgenmikroskops zu entwickeln.

Gefördert wurde die Heidelberger Forschung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), den Europäischen Forschungsrat (ERC) und das „Rahmenprogramm Horizon 2020“ der Europäischen Union. Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Cell Reports Methods“ veröffentlicht.