Polyploidie: Neues Tool ermöglicht Analyse in lebenden Geweben

Eine neue rechnergestützte Pipeline ermöglicht eine hochdurchsatzfähige Bestimmung der Ploidie in verschiedenen Geweben. Anhand von Mikroskopbildern können polyploide Zellen so in intaktem Gewebe identifiziert werden.

Endopolyploidie ist in der Natur weit verbreitet und kommt in pflanzlichen, tierischen und menschlichen Geweben vor. Sie beschreibt einen besonderen Prozess, bei dem Zellen ihr gesamtes Genom vervielfältigen, ohne sich anschließend zu teilen. Stattdessen behalten diese spezialisierten Zellen die zusätzliche DNA und verbleiben als einzelne, vergrößerte Zellen.

Diese natürliche Strategie ist für die Entwicklung oder Regeneration von Geweben unerlässlich. Sie wird jedoch auch mit Krankheiten wie Krebs in Verbindung gebracht. Trotz ihrer großen Bedeutung ist noch immer unklar, was diesen Prozess auslöst, welche Zellen ihn durchlaufen und wie sein Auftreten im Gewebe räumlich reguliert wird. Denn eine solche Untersuchung war bislang äußerst schwierig: Entweder kamen Methoden zum Einsatz, die die Gewebearchitektur zerstören, oder es war eine aufwendige manuelle Analyse jedes einzelnen Zellkerns erforderlich.

Automatisierte Visualisierung von polyploiden Zellen

Mit der neuen Pipeline iSPy (Inferring Spatial Ploidy) ist es einem multidisziplinären, internationalen Team des Max-Planck-Instituts für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln, dem Fox-Labor der Duke University und dem Roeder-Labor der Cornell University (beide USA) gelungen, diese langjährige Einschränkung zu überwinden. Die Pipeline ermöglicht es Forschenden, polyploide Zellen direkt in intaktem, lebendem Gewebe zu visualisieren und zu untersuchen.

iSPy ist eine automatisierte Pipeline mit hohem Durchsatz, die experimentelle Methoden mit fortschrittlicher Bildsoftwareanalyse kombiniert. Ausgehend von Mikroskopbildern identifiziert eine Segmentierungssoftware die Zellkerne und berechnet bestimmte Kernmerkmale wie das Kernvolumen. Aufbauend auf diesen segmentierten Bildern erkennt iSPy die polyploiden Zellkerne im gesamten Gewebe und erstellt detaillierte Karten ihrer räumlichen Anordnung.

Die Forschenden demonstrieren den Einsatz von iSPy in verschiedenen Situationen: bei der entwicklungsbedingten programmierten Endopolyploidie in der Blattentwicklung von Arabidopsis, in menschlichen Kardiomyozyten und bei der regenerationsinduzierten Polyploidie in der Fruchtfliege.

Pipeline in unterschiedlichen Organismen einsetzbar

Somit ist iSPy ein leistungsstarkes und benutzerfreundliches Werkzeug zur Identifizierung und Analyse polyploider Zellen in verschiedenen Geweben unterschiedlicher Organismen. Erstmals können Forschende diese spezifischen Zellen nun über die Zeit hinweg eindeutig identifizieren, verfolgen und ihre Verteilung innerhalb der jeweiligen Gewebearchitektur effizient und im Hochdurchsatz analysieren.

Erstautor Nicholas Russell kommentiert: „Die Identifizierung polyploider Zellen ohne die Zerstörung von Gewebe ist seit langem ein Wunsch der Fachwelt, und ich hoffe, dass diese Pipeline im Laufe der Jahre genutzt und angepasst werden kann, um bisher unbekannte räumliche und zeitliche Ploidie-Muster in vielen Organismen zu identifizieren.“

Studienleiter Pau Formosa-Jordan fügt hinzu: „Viele differenzierte Gewebe weisen räumliche Ploidie-Muster in verschiedenen Organismen auf, über die wir nur sehr wenig wissen. Unsere Pipeline wird hoffentlich dazu beitragen, zu verstehen, wie sich lebendes Gewebe entwickelt, altert oder nach Verletzungen repariert wird. Dies könnte neue Wege zum Verständnis bestimmter Krankheiten wie Krebs eröffnen.“

Die Arbeit ist das Ergebnis einer Zusammenarbeit des „Polyploidy Integration and Innovation Institute“, einer neuen, von der National Science Foundation (NSF) finanzierten Initiative, die sich zum Ziel gesetzt hat, die Entstehung, Funktion und Folgen von Polyploidie in verschiedenen Organismen zu erforschen. Veröffentlicht wurden die Ergebnisse in der Fachzeitschrift “Cell Reports Methods”.

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