Wäre die Hälfte einer Zellpopulation weiss, die andere schwarz, würden Forscher meinen, die Zellen wären grau. Obwohl jede Zelle unseres Körpers den gleichen Satz Gene enthält, unterscheidet sich eine Hautzelle von einer Muskelzelle wie Tag und Nacht. Aber auch von Hautzelle zu Hautzelle gibt es Unterschiede, je nach Alter der Zelle, Zellzyklus-Stadium und inneren und äusseren Einflüssen, die auf die Zelle einwirken. Wichtig wird das Wissen um solche Unterschiede, wenn man beispielsweise festlegen muss, wie lange ein Medikament auf Krankheitserreger oder Tumorzellen einwirken muss, um ihnen den Garaus zu machen. Eine Krebszelle, die sich nur ein bisschen anders verhält als die anderen, könnte der Chemotherapie entgehen und zu einem neuen Tumor führen.

Forscher brauchen meist grosse Mengen an Zellen als Ausgangsmaterial, um robuste Signale zu messen. In der Masse gehen jedoch die Unterschiede von Zelle zu Zelle verloren: Wenn die Hälfte der Zellen eine hohe Konzentration eines bestimmten Faktors aufweist, welcher der anderen aber fehlt, würden die Experimente den Mittelwert ergeben und die Untergruppen unentdeckt bleiben. Forschende um Renato Zenobi, ETH-Professor für Analytische Chemie, haben ein Verfahren entwickelt, um bis zu 160 Einzelzellen der Bäckerhefe zu messen.

Jede Zelle für sich

Obwohl es inzwischen Messmethoden gibt, mit denen Wissenschaftler auch aus einzelnen oder wenigen Zellen Signale messen, war bislang nicht klar, ob diese Methoden tatsächlich biologische Prozesse abbilden. Zenobi’s Mitarbeiter Alfredo Ibáñez und Stephan Fagerer vom Labor für organische Chemie, konnten beweisen, dass ihr Verfahren, Hefezellen zu vereinzeln und Stoffwechselmoleküle per Massenspektrometrie zu messen, tatsächlich hierzu geeignet ist.

Um das Verfahren zu prüfen, behandelten sie die Hefezellen mit 2-Deoxyglucose, welche den Abbau von Zucker hemmt. Parallel untersuchten sie einen Hefestamm mit einer Mutation, die den gleichen Effekt hat wie die Behandlung mit 2-Deoxyglucose. Beide, mutierte und behandelte Zellen, verglichen sie mit unbehandelten, nicht mutierten Hefezellen. Aus Experimenten mit herkömmlichen Methoden ist bekannt, wie sich 2-Deoxyglucose und die Mutation auf den Stoffwechsel der Hefe auswirken, so dass sie durch den Vergleich nachweisen konnten, dass ihre Einzelzellanalyse den tatsächlichen Zustand der Zellen widerspiegelte.

Zusätzlich konnten sie zwei Untergruppen in der Hefezellen-Population unterscheiden: Die eine Gruppe – etwa 90 Prozent der gemessenen Zellen – wies ein hohes Signal für den Stoffwechselfaktor Fructosebisphosphat auf, welches bei den übrigen zehn Prozent niedrig war. Diese beiden Gruppen zu unterscheiden, wäre mit herkömmlichen Analysemethoden nicht möglich gewesen.

Messen ohne technische Verfälschung

Für ihre Einzelzellanalyse liessen die Forscher zunächst die Hefezellen mithilfe von eiskalten Lösungsmitteln in ihrem Zustand augenblicklich erstarren. Dies ist wichtig, da die Aufbereitung der Zellen für das Experiment das Risiko birgt, den Zustand der Zellen zu verändern. «Das Problem ist ähnlich dem, das Quantenphysiker haben», erklärt Ibáñez. «Sobald wir etwas messen, verändern wir es.» Gemeinsam mit Fagerer hat er das Verfahren optimiert, um solche technisch bedingten Effekte auszuschliessen.

Die Forscher benutzten Glasplättchen, welche sie mit einem wasserabweisenden Material beschichteten, um einzelne Zellen zu isolieren. Mit einem Laser schossen sie ein dichtes Muster an Vertiefungen in die Beschichtung und zogen die Flüssigkeit mit den stark verdünnten Hefezellen über die Oberfläche. So blieben nur in den nicht wasserabweisenden Vertiefungen Mikrometer-kleine Tröpfchen mit einer oder wenigen Zellen zurück. Unter dem Mikroskop prüften die Forscher die Anzahl Zellen pro Vertiefung, um ihre Messdaten später in Relation zur Zellzahl setzen zu können. Den wasserabweisenden Glasträger mit benetzbaren Vertiefungen und die Methode, die Zellen für die Analyse mit dem Massenspektrometer zu vereinzeln, haben Zenobi und seine Mitarbeiter patentiert.

Unterschiede aufdecken

Wissenschaftler streben mehr und mehr danach, die individuellen Zustände von einzelnen Zellen in einer Population zu verstehen. Das Verfahren erlaubt einen hochauflösenden Einblick in die Bandbreite dieser Zustände und hilft, bessere Modelle über biologische Prozesse zu entwickeln.

«Es gibt Tausende von Büchern über die Kindererziehung», meint Ibáñez. «Aber wenn mein kleiner Sohn mitten in der Nacht schreit, kann mir keines der Bücher sagen, wie ich mit genau diesem Kind in genau dieser Situation umgehen soll.» Ähnlich sei es in der Biologie: Es gebe viele Modelle, die auf Durchschnittswerten über Zellpopulationen beruhen. Aber darüber, wie stark einzelne Zellen von diesen Mittelwerten abweichen können, wisse man noch wenig.

Literaturhinweis

Ibáñez AJ, Fagerer SR, Schmidt AM, Urban PL, Jefimovs K, Geiger P, Dechant R, Heinemann M, Zenobi R: Mass spectrometry-based metabolomics of single yeast cells. PNAS 2013 May 28;110(22):8790-4. doi: 10.1073/pnas.1209302110.