Berlin – Wissenschaftler*innen vom Berlin Institute of Health (BIH) und von der Charité – Universitätsmedizin Berlin haben in einem internationalen Projekt alle Zellen der menschlichen Bauchspeicheldrüse genetisch untersucht, ihre genaue Lage innerhalb des Organs bestimmt und die Verbindungen zwischen den einzelnen Zellen aufgeklärt. Dabei stießen sie auf bisher unbekannte, neue Zelltypen, die erklären können, wie dieses wichtige Organ funktioniert und wie darin Krankheiten entstehen. Das Projekt ist Teil des weltweiten Human Cell Atlas Projektes, dessen Ziel die Analyse sämtlicher Zellen des menschlichen Körpers ist. Ihre Ergebnisse haben die Forscher*innen nun in der Zeitschrift Gastroenterology veröffentlicht.
„Wir wollten eine Ressource für alle Forscher*innen schaffen, die sich für die Bauchspeicheldrüse interessieren“, erklärt Professor Roland Eils, Leiter des internationalen Pankreasprojekts und als BIH Chair Gründungsdirektor des Digital Health Center am BIH und an der Charité. „Unsere Ergebnisse helfen sowohl denjenigen, die den endokrinen Teil der Bauchspeicheldrüse untersuchen, der Insulin produziert und beispielsweise für die Entwicklung von Diabetes verantwortlich ist. Aber unsere Ergebnisse sind auch relevant für Wissenschaftler*innen, die sich mit dem exokrinen Teil der Drüse beschäftigen, der die Verdauungsenzyme herstellt und in den Dünndarm abgibt und bei Pankreatitis oder Pankreaskrebs betroffen ist.“
Mehr als 120.000 Zellkerne untersucht
Pankreasgewebe zu gewinnen und zu untersuchen erweist sich jedoch als äußerst schwierig: Die Verdauungsenzyme sind sehr aktiv und das Organ läuft Gefahr, sich selbst verdauen. Daher war es wichtig, das Gewebe möglichst schonend und schnell aufzubereiten. Das Team um Roland Eils stützte sich dabei auf internationale Kooperationen. „Von unseren Kolleginnen und Kollegen in Stanford und München haben wir qualitativ hochwertige Proben erhalten. Anschließend haben wir in unserem Labor neue Protokolle speziell für das Pankreasgewebe entwickelt, mit denen wir diese Art von Daten zum ersten Mal gewinnen konnten“, berichtet Christian Conrad, in dessen Labor die Untersuchungen stattfanden und der gemeinsam mit Roland Eils Letztautor der Veröffentlichung ist.
Luca Tosti, Wissenschaftler im Labor von Christian Conrad und Erstautor der Arbeit, setzte bei diesem Mammutprojekt verschiedene Einzelzelltechnologien ein. „Einerseits haben wir Zellkerne aus tiefgefrorenen Biopsien isoliert und in jedem Kern einzeln die Genaktivität gemessen. Insgesamt haben wir so mehr als 120.000 Zellkerne analysiert. Außerdem haben wir die so genannte In-situ-Sequenzierung im gefrorenen Gewebe durchgeführt. Dieser Ansatz verrät uns nicht nur, welche Gene in den verschiedenen Zellen aktiv sind, sondern auch, wie sich die Zellen räumlich organisieren und welche Beziehungen zwischen den verschiedenen Zellen bestehen“, erklärt Tosti.
Kommunikation zwischen Zellen
Bei seinen Untersuchungen konnte das Team exokrine Pankreaszellen in drei Subtypen unterteilen. Im Vergleich von erwachsenem Gewebe mit dem von Neugeborenen zeigte sich ein erstaunlicher Umbau der Zellzusammensetzung im Verlauf der Entwicklung. „Wir waren überrascht, dass ein Organ, das bisher als relativ homogen angesehen wurde, einen so komplexen Aufbau aufweist“, berichtet Roland Eils. „Indem wir verschiedene biologische und rechnergestützte Verfahren kombiniert haben, haben wir Einblicke in die Kommunikation zwischen den Zellen erhalten, die zuvor in der menschlichen Bauchspeicheldrüse nicht möglich waren.“
Als nächstes wollen die Forscher*innen Proben von Patient*innen mit Diabetes oder Panreastumoren analysieren, um die Ursachen von Erkrankungen der Bauchspeicheldrüse besser zu verstehen und darauf aufbauend neue Diagnose- und Therapiemöglichkeiten zu entwickeln.
Teilprojekt im Human Cell Atlas
Die Europäische Union fördert das Horizon 2020 Projekt ESPACE zur zellulären Analyse der Bauchspeicheldrüse mit insgesamt fünf Millionen Euro, davon geht eine Million nach Berlin ans Digital Health Center, von wo aus das Projekt koordiniert wird. Start war im Januar 2020. Das Bauchspeicheldrüsenprojekt ist ein Teilprojekt der Human Cell Atlas Initiative. Hier haben sich Forscher*innen weltweit zusammengetan, um jede einzelne Zelle des menschlichen Körpers zu beschreiben. Ziel ist es, die Vorgänge im gesunden Körper zu verstehen, um auf dieser Basis Krankheiten besser diagnostizieren, behandeln und vorbeugen zu können. „Das Human Cell Atlas Projekt ist sicher eines der zukunftsträchtigsten Projekte im Bereich der Lebenswissenschaften“, ist Roland Eils überzeugt. „Unsere Vision ist es, hier einen entscheidenden Beitrag für das Verständnis des menschlichen Lebens zu leisten.“ Das Bauchspeicheldrüsenprojekt ist das einzige Projekt von insgesamt sechs europäischen Human Cell Atlas Initiativen, das von Deutschland aus koordiniert wird.
Luca Tosti, Yan Hang, Olivia Debnath, Sebastian Tiesmeyer, Seung K. Kim, Roland Eils, Christian Conrad: Single nucleus and in situ RNA sequencing reveals cell topographies in the human pancreas, Gastroenterology, Nov 16 2020; DOI:www.doi.org/10.1053/j.gastro.2020.11.010
Weitere Informationen zu ESPACE finden Sie hier:
www.espace-h2020.eu/