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Ein Stück Laborleben
Doktorand Colin Buss experimentiert mit einer Technik, die dabei helfen könnte, überforderte weiße Blutkörperchen einzudämmen. 22. August 2018
Colin Buss, ein graduierter Forscher am Koch-Institut für integrative Krebsforschung des MIT, sagt, es sei nicht übertrieben, den BD LSRFortessa seinen besten Freund zu nennen. Wir haben schon so manchen Samstagnachmittag zusammen verbracht, sagt Buss über das Durchflusszytometer, das zum Zählen und Sortieren von Zellen in einer Lösung dient. Nachdem er ein Röhrchen mit Zellproben auf das Gerät gelegt und eine Metalldüse die Flüssigkeit angesaugt hat, trennt die Maschinerie die einzelnen Zellen und analysiert sie, indem sie sie verschiedenen Lasern aussetzt. Fortessa kann tausend Zellen pro Sekunde durchlaufen, was Forschern wie Buss unzählige Stunden des Blicks in ein Mikroskop erspart. Kein Wunder, dass sie Freunde sind.
Selbst wenn er Spitzentechniken auf seinem Gebiet anwendet, verbringt Buss, wie so viele der 6.900 anderen Doktoranden auf dem gesamten Campus, viele Stunden im Labor und verrichtet scheinbar Routineaufgaben. Aber das Potenzial seiner Forschung ist alles andere als banal. Die Technologie, die er testet, indem er all diese Zellen untersucht, könnte zu besseren Behandlungen von Sepsis führen, einem Zustand, bei dem die Überreaktion des Körpers auf eine Infektion seine eigenen Gewebe und Organe schädigt. Jedes Jahr sterben etwa 250.000 Amerikaner an Sepsis, die weltweit schätzungsweise mehr als fünf Millionen Menschen tötet.
Buss freundete sich schließlich mit Fortessa am MIT an, nachdem er sich von der Arbeit der Bioingenieur-Professorin Sangeeta Bhatia, SM ’93, PhD ’97, inspirieren ließ, die Krebsdiagnostika und -therapeutika entwickelte, die häufig Nanopartikel als Verabreichungstechnologie nutzten. Buss hatte an der Cornell University Chemieingenieurwesen studiert und überlegte zunächst, Arzt zu werden, stellte jedoch fest, dass er sich mehr für medizinische Forschung interessierte. Ich habe das Gefühl, dass ich einen größeren Einfluss haben kann, wenn ich eine neue therapeutische Technik entwickle, anstatt Patienten direkt zu behandeln, sagt er. Er war bestrebt, Bhatias Nanopartikeltechnologie auf neue Anwendungsgebiete auszudehnen, wie z. B. das Targeting von Zellen des Immunsystems, und trat vor fünf Jahren in ihr Labor für multiskalige regenerative Technologien am Koch-Institut ein. Seine Forschung dort als Doktorand hat ihn dazu gebracht, seinen inneren Ingenieur zu nutzen, sagt er, um eine Lösung für eine wirklich interessante Frage zu finden.
Die Frage, die seine Aufmerksamkeit nun beschäftigt, ist, ob die natürliche Reaktion des Immunsystems auf eine Infektion mit ein wenig nanotechnologischer Genmanipulation fein abgestimmt werden kann. Heute verwendet er Fortessa, um Proben von weißen Blutkörperchen zu analysieren, die er von Mäusen gesammelt hat. Letzte Nacht ließ er mehrere Mäuse Bakterien in der Luft einatmen, was dazu führte, dass sie innerhalb von drei bis vier Stunden eine Infektion entwickelten. Heute früh injizierte er ihnen Nanopartikel, die kleine interferierende RNA (siRNA) enthielten. Und wenn alles wie geplant verlief, sollte die Einführung dieses genetischen Materials in ihren Blutkreislauf helfen, die Reaktion ihres Immunsystems auf die Infektion zu regulieren, sagt Buss.
Der Doktorand Colin Buss überlegte einmal, Arzt zu werden, entschied sich aber, durch die Entwicklung von Therapien mehr Menschen helfen zu können. Also schloss er sich Sangeeta Bhatias Lab for Multiscale Regenerative Technologies an, um mit ihr an der Verwendung von Nanopartikel-basierter Arzneimittelabgabe zur Bekämpfung von Infektionskrankheiten zu arbeiten.
Der Körper von Mäusen reagiert auf Infektionen genauso wie der von Menschen. Wenn die ständig im Blutkreislauf zirkulierenden Immunzellen das Vorhandensein eines Eindringlings wie Viren, Bakterien oder Pilze erkennen, bringen sie die Immunantwort des Körpers in Gang und rekrutieren viele Züge von Abwehrzellen – darunter mehrere der fünf Arten von Weißen Blutkörperchen – um sich ihnen am Ort der Infektion anzuschließen. Buss untersucht Monozyten, eine Art weißer Blutkörperchen, die ihre Arbeit oft etwas zu gut machen, zu viele andere Zellen rekrutieren und zu viele Entzündungen hervorrufen. Während ein gewisses Maß an lokalisierter Entzündung an der Infektionsstelle entscheidend ist, um den eindringenden Erreger zu zerstören, kann die anhaltende und weit verbreitete Entzündung, die bei einer Sepsis auftritt, zu Organschäden und -versagen führen. Bei Infektionen in empfindlichen Organen wie Lunge und Herz kann Ihre Immunantwort alles, was sie hat, auf die Bakterien werfen wollen, sagt Buss. Aber zu viel Entzündung und zu wenig Konzentration auf die Regulierung des restlichen Körpers können Sie tatsächlich töten, bevor die Infektion dies tut.
Ihre Immunantwort kann alles, was sie hat, auf die Bakterien werfen wollen. Aber zu viel Entzündung ... kann Sie tatsächlich töten, bevor die Infektion es tut.
Die siRNA-tragenden Nanopartikel, die Buss entworfen hat, sollen diese Entzündung kontrollieren. Eine konstruierte molekulare Beschichtung hilft ihnen, das Schwimmen durch den Blutkreislauf zu überleben, und ermöglicht es ihnen, an den Membranen der Monozyten anzudocken, um ihre Fracht abzuladen. Die siRNA schlüpft dann in den DNA-Replikationsprozess der Zellen und blockiert die Produktion eines Signalproteins, das als chemischer Leuchtturm fungiert, um andere Monozyten an die Infektionsstelle zu rekrutieren. Die Herausforderung besteht darin, sicherzustellen, dass die siRNA-Bündel nicht mit anderen Arten von Immunzellen interferieren oder die Monozyten vollständig abschalten. Wir wollen immer noch, dass die Monozyten auf die Infektion reagieren, sagt Buss. Wir wollen nur nicht, dass sie überreagieren.
Mit dem heutigen Experiment soll getestet werden, ob die Nanopartikel ihren Bestimmungsort erreicht haben. Nachdem er die weißen Blutkörperchen aus den Blutproben isoliert hat, codiert er sie farblich. Jede Art von weißen Blutkörperchen hat eine einzigartige Kombination von Oberflächenrezeptoren, Ladedocks, die verwendet werden, um an andere Zellen zu binden und mit ihnen zu interagieren. Buss markiert die Zellen mit einer Vielzahl von Farbstoffen, die nur an einen bestimmten Rezeptor binden, wodurch er sie nach Zelltyp sortieren kann. (In Fortessa emittieren beispielsweise Monozyten blaues, weißes und gelbes Licht.) Auch Buss hat seine Nanopartikel rosa gefärbt. Wenn also die Lieferung erfolgreich war, sollten die Monozyten auch rosa leuchten, wenn er sie durch Fortessas Laser laufen lässt. Und durch Zählen der Anzahl anderer weißer Blutkörperchen, die ebenfalls Rosa emittieren, kann Buss bestimmen, wie viele unbeabsichtigte siRNA-Pakete erhalten haben.
Um die weißen Blutkörperchen farblich zu kennzeichnen, verwendet Buss eine Propipette, ein Instrument, das wie eine Heißklebepistole aussieht, um Farbstoff in seine Lösungen zu geben. Seine Bewegungen sind rhythmisch – stecken Sie die Propipette in eine neue sterile Spitze, saugen Sie die Lösung auf, geben Sie die Lösung ab, schnippen Sie die gebrauchte Spitze in einen Bioabfalleimer und wiederholen Sie den Vorgang. Das Erstellen von Dutzenden von Proben – einschließlich Kontrollproben zur korrekten Kalibrierung von Fortessa – ist eine sich wiederholende Arbeit, aber Buss sagt, er habe seinen Groove gefunden.
In seiner jahrelangen Arbeit im Labor, sagt Buss, habe er das wachsende Versprechen winziger Technologien gesehen, um präzisere und abstimmbare Effekte in den biologischen Prozessen von Lebewesen zu erzeugen. Technologien wie siRNA in Nanopartikeln ermöglichen es Forschern, sich auf ein Verhalten in einer bestimmten Zellgruppe zu konzentrieren, eine Genauigkeit, die bei medikamentösen Therapien für Krebs und Infektionskrankheiten lange unerreicht war. siRNA-Therapeutika geben uns die Möglichkeit, Zellen auf der Ebene einzelner Gene zu kontrollieren – etwas, das bei niedermolekularen Medikamenten traditionell schwierig war, sagt er. Daher haben viele Medikamente mehrere unerwünschte Nebenwirkungen.
Buss hofft, dass seine Nanopartikel-Experimente, einschließlich früherer Arbeiten, in denen er Krebszellen ins Visier nahm, sein Diplomarbeitsprojekt sein werden. Der größte Unterschied zwischen Krebsarbeit und Infektionskrankheiten sei der Zeitrahmen, sagt er. Mit Krebs impfen Sie die Mäuse und arbeiten im Laufe eines Monats. Bei Infektionskrankheiten muss alles in 24 Stunden passieren.
Während die Uhr seines siRNA-Experiments tickt, trägt Buss seine gefärbten Proben in einer Styroporbox mit Eis drei Treppen hinunter, um sie durch Fortessa zu schicken. Während die weißen Blutkörperchen durch das Laserlabyrinth im Inneren tuckern, beginnen kleine Punkte in einem Streudiagramm auf dem Monitor zu erscheinen. Er beugt sich vor und untersucht die vielen Diagramme, während sich die Zellen zu häufen beginnen.
Siehst du das? sagt er und wechselt zwischen den blauen, weißen und gelben Diagrammen – den Farbstofffarben, die den Rezeptoren auf den Monozyten entsprechen – und dem Diagramm, das dem rosa Tag auf den siRNA-Paketen entspricht. Die Punkte häufen sich auf allen an derselben Stelle, was bedeutet, dass seine Pakete die Monozyten gefunden und ihre Fracht entladen haben. Er muss die Ergebnisse für die anderen weißen Blutkörperchen untersuchen, um zu sehen, ob sie auch die siRNA-Pakete erhalten haben. Und Hunderte von Wiederholungen desselben Experiments liegen vor uns. Aber jetzt starrt er auf das Streudiagramm, das ihm sagt, dass seine Nanopartikel ihr Ziel gefunden haben. Das ist schön, sagt er.