HTAN: Abbildung von Tumoren über Zeit und Raum mithilfe modernster Technologien


Die Initiative „Human Tumor Atlas Network“ erstellt Karten menschlicher Tumore, einschließlich ihrer Umgebung, die Immunzellen, Blutgefäße und andere Komponenten der Tumor-Stützstruktur umfassen können.

Bildnachweis: National Cancer Institute

Wenn Sie ein völlig neues Ziel besuchen, besteht die Möglichkeit, dass Sie eine Website oder App besuchen, die die beste Route anhand aktueller Karten und Verkehrsinformationen vorhersagt.

Was wäre, wenn Onkologen über eine ähnliche Ressource verfügten, die sehr detaillierte Karten von Krebs verwendete, um den besten Weg zur Behandlung krebskranker Personen oder zur Vorbeugung von Krebs bei Personen mit erhöhtem Risiko vorherzusagen?

Das Human-Tumor-Atlas-Netzwerk (HTAN), ein vom NCI finanziertes Verbundforschungsprojekt, wurde gegründet, um genau dies zu tun. Erstellen Sie detaillierte „Karten“ einer Vielzahl von Krebserkrankungen, mit denen untersucht werden kann, wie sich Krebs entwickeln, ausbreiten oder darauf reagieren kann Behandlung.

In den Karten werden die molekularen Merkmale von Krebs erfasst, ähnlich wie bei anderen Krebsatlasen. Allerdings ist der einzigartigste Aspekt von HTAN, dass die Merkmale von Krebs räumlich und zeitlich abgebildet werden.

Außerdem werden HTAN-Forscher die neuesten biotechnologischen und rechnergestützten Ansätze nutzen, um die Krebsbiologie auf bisher nicht gekannte Weise zu untersuchen.

Beispielsweise enthalten die HTAN-Karten die dreidimensionale Position einzelner Zellen in einem Tumor, wie z. B. das Erstellen von Adressen. Genau wie bei einer interaktiven Karte, die angibt, ob ein Gebäude ein Zuhause oder ein Geschäft ist, werden die HTAN-Karten auch mit Informationen über den Zellentyp an jeder „Adresse“ versehen.

Aber Tumoren wie Städte ändern sich im Laufe der Zeit, und eine veraltete Karte ist keine sehr zuverlässige Ressource. Die HTAN-Karten zeigen daher, wie sich die molekularen, zellulären und räumlichen Merkmale eines Tumors im Laufe der Zeit verändern.

Mit diesen sehr detaillierten Karten möchte HTAN ein umfassenderes Verständnis von Krebs erzeugen, als dies bisher möglich war, so die Verantwortlichen der Initiative.

“Eine sehr zeitgemäße Anstrengung”

Die Idee für HTAN kam vom Cancer Moonshot®, einer Empfehlung des Blue Ribbon Panels .

"Es ist eine sehr zeitgemäße Anstrengung, da die Technologien, die für eine eingehende Betrachtung der Zellen erforderlich sind, in einem Ausmaß aufblühen, das vor zehn Jahren nicht möglich war", sagte HTAN-Co-Leiterin Tracy Lively, Ph.D. ., der NCI- Abteilung für Krebsbehandlung und Diagnose .

Und diese Technologien sind in letzter Zeit verfügbar geworden, „nicht nur für einige spezialisierte Labore, sondern im Großen und Ganzen, sodass Labore mit großem Interesse und Fachwissen im Bereich Krebs sie jetzt nutzen können“, fügte sie hinzu.

Das Netzwerk besteht aus 10 Teams von Forschungseinrichtungen im ganzen Land. Bei einem Kickoff-Meeting im vergangenen November erläuterte jedes Team, wie es unter Verwendung einer unterschiedlichen Kombination von Technologien und Ansätzen Tumoratlanten erzeugt.

"Wenn wir versuchen, die zugrunde liegende Biologie [von Krebs] zu verstehen, brauchen wir wirklich einen sehr vielschichtigen Ansatz und müssen aus verschiedenen Blickwinkeln auf ihn eingehen", sagte Dr. Andrew Adey, ein von HTAN finanzierter Wissenschaftler von Oregon Health and Wissenschaftsuniversität.

Jede Karte repräsentiert eine bestimmte Art von Krebs, wenn sie einen bestimmten Übergang durchläuft . Zum Beispiel wird das Htan Team von Kinderkrankenhaus von Philadelphia Erzeugen einer Karte von pädiatrischen hochwertigen Gliom , wie es von der Reaktion auf Standard – Behandlungen Übergänge zu entwickeln Widerstand zu ihnen.

Auf die Straße gehen: Einzelne Zellen analysieren

Wenn Sie auf eine Stadt mit Vogelperspektive blicken, können Sie allgemeine Strukturen wie Gebäude und Parks erkennen. Bei einer Straßenansicht können Sie jedoch einzelne Details dieser Orte anzeigen, z. B. ob es sich um ein Wohn- oder Geschäftsgebäude handelt.

In der Vergangenheit war es für Forscher schwierig, eine solche "Straßenansicht" von Zellen zu erhalten, da bei den meisten Labortests eine Zellprobe zusammengemischt und als Gruppe analysiert wird.

Es ist, als würde man einen Haufen Zellen in einen Mixer stecken und das Ergebnis betrachten, sagte Dana Pe'er, Doktorandin des HTAN-Teams am Memorial Sloan Kettering Cancer Center (MSKCC). Mit diesem „Massenansatz“, erklärte Dr. Pe'er, gehen die individuellen Unterschiede (als Heterogenität bezeichnet) verloren.

Dank des technologischen Fortschritts können Forscher nun die molekularen Eigenschaften einzelner Zellen schnell und kostengünstig analysieren. Durch die Kombination einzelner Daten von Hunderten oder Tausenden einzelner Zellen eines Tumors können Forscher ihre Heterogenität besser in den Griff bekommen.

Diese einzelligen Technologien eröffnen "eine völlig neue Welt für Krebs und Biomedizin", sagte Dr. Pe'er.

Jedes HTAN-Team verwendet unterschiedliche Einzelzellentechnologien. Ihr Endziel ist jedoch dasselbe: die Position der einzelnen Zelltypen im Tumor zu erfassen und deren Rolle zu verstehen. Die Forscher hoffen zum Beispiel, Krebszellen und Immunzellen zu unterscheiden und zu bestimmen, ob diese Immunzellen dem Krebs helfen zu wachsen oder ihn anzugreifen.

"Um nicht nur die Tumorzellen, sondern auch die umgebende Mikroumgebung zu verstehen, müssen wir neuere Technologien einsetzen, um die verschiedenen Populationen in einem Tumor wirklich zu analysieren", sagte Dr. Li Ding, Leiter des Teams an der Washington University in St. Louis.

Über den DNA Blueprint hinausschauen

Einzelzell-RNA-Sequenzierung kann dabei helfen, verschiedene Zelltypen zu identifizieren, die in einem Tumor vorhanden sind.

Bildnachweis: Mario Suva, MD, Ph.D., Harvard Medical School

Der Entwurf einer Stadt zeigt Ihnen vielleicht die ursprüngliche Umrisse von Straßen und Autobahnen, aber Sie können nicht sagen, welche Gebäude und Landschaften entlang dieser Straßen entstanden sind oder wie die Umrisse verändert wurden, als sich die Stadt entwickelte.

Auch wenn es keinen Zweifel gibt, dass die DNA-Sequenz (oft als Bauplan einer Zelle bezeichnet) Hinweise auf die Krebsbiologie gibt, ist dies nicht die ganze Geschichte.

Neben der DNA-Sequenzierung verwenden HTAN-Forscher Einzelzelltechnologien, um andere biologische Moleküle wie RNA und Proteine zu untersuchen , die wichtige Informationen über Krebszellen liefern können.

Das MSKCC-Team untersucht zum Beispiel die Dynamik der Metastasierung durch Sequenzierung der RNA einzelner Zellen aus primären Tumoren der Lunge und des Pankreas sowie metastatischer Tumoren im Gehirn.

Mit der Einzelzell-RNA-Sequenzierung können die Forscher herausfinden , um welchen Zelltyp es sich handelt, und ihre Eigenschaften bestimmen, beispielsweise das Potenzial für eine Metastasierung, sagte Dr. Pe'er. Mit ihren Karten hoffen sie auf ein besseres Verständnis der Mechanismen der Metastasierung und ihrer Regulierung.

Andere Teams untersuchen, wie sich epigenetische Modifikationen – Änderungen, die steuern, welche Gene ein- und ausgeschaltet werden, ohne die tatsächliche DNA-Sequenz zu verändern – mit dem Fortschreiten des Krebses verändern.

Das Team der Oregon Health and Science University verwendet beispielsweise eine als ATAC-seq bekannte Technologie, um eine Art epigenetischer Modifikation zu analysieren. Diese Technologie ist effizienter und benutzerfreundlicher als frühere epigenetische Tests, erklärte Dr. Adey, Teammitglied aus Oregon.

Er und seine Kollegen haben ATAC-seq für die Analyse einzelner Zellen adaptiert und verwenden diesen Ansatz, um epigenetische Veränderungen zu untersuchen, die auftreten, wenn metastatische Brusttumore gegen Standardtherapien resistent werden.

Mehrere Studien haben gezeigt, dass bestimmte epigenetische Verschiebungen Krebszellen gegenüber einer gegebenen Behandlung resistent machen. Das Team hofft, dass ein tieferer Einblick in diese Verschiebungen dazu führt, dass diese Widerstandsmechanismen besser verstanden werden und möglicherweise, wie sie unterwandert werden können.

Zur Erstellung ihrer Karten verwendet das HTAN-Team der Washington University eine neue Technologie namens nanoPOTS , um Hunderte von Proteinen in einzelnen Zellen zu identifizieren. Durch die Analyse der Proteine in Zellen, die während und nach der Behandlung aus Brust-, Gehirn- und Pankreastumoren gewonnen wurden, hofft das Team zu erfahren, wie Veränderungen bei den Zelltypen in einem Tumor mit der Reaktion des Patienten auf die Behandlung korrelieren.

Dieser Ansatz könnte beispielsweise Aufschluss darüber geben, wie sich die Arten von Immunzellen in einem Tumor während und nach der Behandlung verändern, erklärte Dr. Ding.

Die Hoffnung ist, dass die Forscher möglicherweise die HTAN-Atlanten als Ressource nutzen können, um Antworten auf die Krebsbiologie zu finden.

Forscher könnten die Karten beispielsweise nutzen, um " Biomarker für die Risikostratifizierung und Früherkennung von Krebs zu identifizieren und genaue Ziele für die Prävention und Therapie zu identifizieren", sagte der HTAN-Co-Chef Sudhir Srivastava von NCI Abteilung für Krebsprävention .

Solche Marker und Ziele könnten Onkologen ermöglichen, Modelle zu erstellen, die vorhersagen, wie der Krebs einer Person voranschreiten kann und wie sie auf die Behandlung reagieren, erklärte er.

Krebs im Kontext studieren

Eine Probe eines menschlichen Dickdarmtumors, analysiert mit MxIF. Jede der fünf Farben repräsentiert ein anderes Protein.

Bildnachweis: Eliot McKinley, Phandr., Vanderbilt University School of Medicine

Eine Karte kann Sie nicht zu einem Ziel führen, wenn die Komponenten der Stadt auf der Seite willkürlich gezeichnet wurden. Sie müssen wissen, wie die Straßen und Gebäude zueinander angeordnet sind, um Ihr Ziel zu erreichen.

Ebenso muss ein Tumoratlas vermitteln, wie die Komponenten der Tumormikroumgebung – Blutgefäße, Bindegewebe , Immunzellen und Mikroorganismen – in Bezug aufeinander und zu Krebszellen organisiert sind.

In der Vergangenheit, so Dr. Lively, „mussten viele unserer Technologien für das Betrachten von Zellen den Tumor auseinander nehmen“, wodurch die räumlichen Beziehungen zwischen diesen Komponenten verloren gingen.

Dank fortschrittlicher Bildgebungstechnologien können Forscher nun die intakte Tumormikroumgebung detailliert untersuchen. Die Verwendung solcher Technologien zur Verbindung von molekularen und räumlichen Informationen ist ein Hauptanliegen von HTAN, betonte Dr. Lively.

Diese Methoden „sind unglaublich wichtig, weil Sie die Zellen im Kontext untersuchen können“, sagte Dr. Pe'er. Zum Beispiel könnte man sich mit einer Frage befassen wie: "Wie verhält sich eine Krebszelle neben einer Immunzelle anders als eine, die es nicht ist?", Sagte sie.

HTAN-Ermittler verwenden mehrere Bildgebungstechniken, mit denen verschiedene Moleküle – manchmal bis zu 100 – durch Hervorhebung der einzelnen Moleküle hervorgehoben werden können.

Beispielsweise verwendet das HTAN-Team der Vanderbilt University eine Technik, die Multiplex-Immunfluoreszenz (MxIF), die bis zu 60 verschiedene Moleküle, darunter Proteine, RNA und Mikroben, hervorheben kann. Sie verwenden diese Technologie, um zu untersuchen, wie sich die Mikroumgebung während der Entwicklung von Darmkrebs verändert.

"Imaging-basierte Ansätze wie die Multiplex-Immunfluoreszenz sind für diese Bemühungen von entscheidender Bedeutung", sagte Dr. Ken Lau, Leiter des Vanderbilt-Teams.

Die Vanderbilt-Forscher befragen Kombinationen von Proteinen und RNA, um die Zelltypen in Proben von präkanzerösem Wachstum im Dickdarm und ausgewachsenen Dickdarmtumoren abzugrenzen. Anschließend analysieren sie, wie sich die Interaktion und Organisation dieser Zellen während des Krebsverlaufs verändert.

Das Team verwendet MxIF auch zur Untersuchung von Mikroorganismen, da bestimmte Bakterienarten im Darm mit der Entstehung und dem Fortschreiten von Darmkrebs in Verbindung stehen.

"Das Mikrobiom organisiert sich in Strukturen, die als Biofilme bezeichnet werden", erklärte Dr. Lau. "Es ist sehr wichtig zu sehen, wie diese Biofilme räumlich organisiert sind und wo genau die verschiedenen Mikroben sind", sagte er. Zum Beispiel, so sagte er, können Mikroben auf einem Dickdarmtumor sitzen oder in den Tumor eindringen, und dies kann das Verhalten des Tumors verändern.

Zusammenarbeit zur Bewältigung neuer Herausforderungen

Das HTAN-Projekt ist ein großes Unternehmen und das erste dreidimensionale Atlas-Projekt, das sich ausschließlich auf Tumore konzentriert, so Dr. Lively. Das bedeutet, dass es eine Menge Kniffe geben wird, von denen viele HTAN-Wissenschaftler auf der Auftaktveranstaltung diskutiert haben.

Eine Herausforderung wird darin bestehen, ausreichend Einzelzellen für Einzelzellassays zu isolieren, sagte Dr. Adey. Manchmal seien große Teile einer Tumorprobe abgestorben und aufgebrochen, so dass es schwierig sei, einzelne Zellen zu isolieren, erklärte er.

Und selbst wenn diese Herausforderung gelöst ist, müssen einige der neueren Technologien noch verbessert werden, sagte Dr. Pe'er. Bei dem Treffen einigten sich die HTAN-Forscher auf die Notwendigkeit, jeden Test oder Test zu optimieren, bevor er für große Probensätze verwendet werden kann.

Die Berechnung und Interpretation großer Datenmengen ist ein weiterer großer Engpass, sagte Dr. Pe'er. Ein Teil des Problems besteht darin, nicht genug Computerbiologen zu haben, stellte sie fest.

Eine weitere Herausforderung besteht darin, Datensätze auf konsistente Weise zu generieren, so dass sie miteinander verglichen werden können, sagte Dr. Ding.

„Wir haben es mit einer Reihe verschiedener Technologien zu tun, und wir müssen uns der Standardisierung bewusst sein. Wenn wir dies nicht tun, wird es schwierig, Schlussfolgerungen zu ziehen “, sagte sie.

Obwohl dies bedeutende Herausforderungen sind, ist die gebündelte Expertise des Netzwerks ein guter Ausgangspunkt, um diese Probleme anzugehen, sagte Dr. Adey. „Dieses Netzwerk von Kollegen zum Austausch von Ideen und Erfahrungen zu haben, wird unglaublich wertvoll sein“, erklärte er.

Dr. Lively stimmte zu und sagte: "Ich denke, der wirkliche Wert des Zusammenbaus des Netzwerks besteht darin, dass … es enormes Teilen und gegenseitige Befruchtung geben wird."

Quelle: National Cancer Institute

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