Custom Probe-Based Spatial Transcriptomics Enables Microbiome Detection in FFPE Colorectal Cancer Tissue

In jedem Tumor verbirgt sich eine geheime Welt. Seit Jahren wissen Wissenschaftler, dass Bakterien in menschlichen Krebszellen leben – nicht nur als zufällige Passagiere, sondern als aktive Teilnehmer, die beeinflussen können, wie eine Krankheit wächst, wie das Immunsystem reagiert und sogar, wie gut ein Patient auf eine Behandlung anspricht. Diese mikroskopischen Gemeinschaften sind nicht wahllos verstreut; sie bilden spezifische Nachbarschaften innerhalb des Gewebes und interagieren auf komplexe Weise mit menschlichen Zellen. Um diese Interaktionen zu verstehen, müssen Forscher sehen, wo sich die Bakterien im Verhältnis zu den menschlichen Zellen befinden, vergleichbar mit einer Karte, die sowohl die Häuser als auch die darin lebenden Menschen zeigt. Lange Zeit war diese Art der detaillierten Kartierung nur mit frischen Gewebeproben möglich, die jedoch selten und schwer zu beschaffen sind. Die überwiegende Mehrheit der medizinischen Unterlagen besteht jedoch aus Gewebe, das in Wachsblöcken konserviert wurde – eine Methode, die seit Jahrzehnten Standard ist, die aber zuvor als zu stark degradiert für diese Art von hochauflösender bakterieller Detektivarbeit galt.

Einem Forschungsteam ist es nun gelungen, diese Lücke zu schließen, indem es einen neuen Weg entwickelt hat, Bakterien in diesen konservierten Gewebeproben abzubilden. Durch die Anpassung einer Technologie, die eigentlich dazu entwickelt wurde, menschliche Gene zu lesen, schufen sie einen maßgeschneiderten Satz molekularer Werkzeuge, der auch in der Lage ist, spezifische Arten von Bakterien zu finden und zu lokalisieren. Sie testeten diesen Ansatz an Proben von Darmkrebs, einer Krankheit, bei der die Beziehung zwischen Bakterien und Tumoren besonders wichtig ist. Ihre Arbeit beweist, dass es möglich ist, die räumliche Anordnung von Mikroben in alten, archivierten medizinischen Präparaten zu visualisieren, ohne die Fähigkeit zu verlieren, den menschlichen genetischen Code gleichzeitig zu lesen. Dies öffnet die Tür dazu, Jahrzehnte alte gelagerte Patientenproben zu untersuchen, um zu verstehen, wie Bakterien Krebs auf eine Weise beeinflussen, die zuvor unsichtbar war.

Die Forscher begannen mit dem Entwurf eines neuen Satzes molekularer Sonden, bei denen es sich im Wesentlichen um winzige, maßgeschneiderte Etiketten handelt, die an spezifische genetische Sequenzen binden. In diesem Fall zielten sie auf den genetischen Code von Bakterien ab, insbesondere auf die variablen Regionen eines Moleküls namens 16S rRNA, das als eindeiger Identifikator für verschiedene Bakteriengruppen fungiert. Sie entwickelten diese Sonden so, dass sie mit einer modernen Imaging-Plattform namens Visium CytAssist funktionieren, einem System, das genetische Informationen aus dünnen Gewebeschnitten erfasst und dabei deren ursprüngliche Form und Lage beibehält. Die Herausforderung bestand darin, diese bakteriellen Sonden zusammen mit den Standard-Sonden, die zum Lesen menschlicher Gene verwendet werden, so zu gestalten, dass sie sich nicht gegenseitig stören. Sie erstellten ein Pool aus 195 Sondenpaaren, die 15 verschiedene Bakteriengruppen anvisierten, welche für Darmkrebs relevant sind, und mischten diese in das Standard-Testkit.

Um zu testen, ob diese neue Methode funktionierte, wandte das Team sie auf sechs Proben von Darmgewebe an, die in Wachsblöcken konserviert waren. Drei dieser Proben stammten aus Tumoren, und drei aus gesundem Gewebe desselben Patienten, das in der Nähe des Tumors entnommen wurde. Der Prozess umfasste das Schneiden des Gewebes, die Behandlung mit der maßgeschneiderten Sondenmischung und die anschließende Verwendung einer Maschine, um die genetischen Signale auszulesen. Die Ergebnisse waren unmittelbar und eindeutig: Das System konnte sowohl menschliche Gene als auch bakterielle Signale in denselben Gewebeschnitten erfolgreich detektieren. Entscheidend war, dass die Anwesenheit der bakteriellen Sonden das Lesen der menschlichen Gene nicht störte. Als die Forscher die menschlichen genetischen Daten analysierten, organisierten sich die Zellen in den erwarteten Mustern, mit deutlichen Gruppen für die Auskleidung des Dickdarms, die Muskelschichten und Immunzellen, genau wie in frischem Gewebe. Dies bestätigte, dass die neue Methode sicher in der Anwendung ist und die empfindlichen Informationen in den konservierten Proben nicht beschädigt.

Die spannendste Entdeckung gelang den Forschern, als sie betrachteten, wo sich die Bakterien befanden. In den gesunden Gewebeproben wurden die bakteriellen Signale hauptsächlich an der äußersten Oberfläche gefunden, also an der Innenseite des Dickdarms, was dem bekannten natürlichen Lebensraum der Bakterien im gesunden Darm entspricht. Die Tumorproben erzählten jedoch eine komplexere Geschichte. In den meisten Tumorproben wurden die Bakterien in kleinen, konzentrierten Clustern gefunden. Aber eine spezifische Tumorprobe stach dramatisch hervor: Sie enthielt ein wesentlich höheres Maß an bakteriellen Signalen als die anderen, und diese Bakterien saßen nicht nur an der Oberfläche; sie waren tief in das Tumorgewebe selbst eingebettet.

Als die Forscher genauer hinsahen, fanden sie in diesem hochsignifikanten Tumor zwei Hauptgruppen: eine, die mit der Gattung Porphyromonas verwandt ist, und eine andere, die mit Bacteroides-Phocaeicola verwandt ist. Während beide Gruppen im gesamten Tumor vorhanden waren, folgten sie unterschiedlichen Pfaden, während sie tiefer in das Gewebe vordrangen. Eine Gruppe schien den Tumor in einer anderen Richtung oder mit einer anderen Geschwindigkeit zu durchdringen als die andere. Dies deutet darauf hin, dass verschiedene Arten von Bakterien auf einzigartige Weise in den Tumor eindringen und möglicherweise unterschiedlich mit den menschlichen Zellen in ihrer Umgebung interagieren. Die Fähigkeit, diese unterschiedlichen Muster in einer einzigen Probe zu sehen, war älteren Methoden nicht möglich, da diese alle Bakterien vermischt hätten und somit die Information darüber verloren hätten, wo jede Art tatsächlich lebt.

Diese Studie behauptet nicht, das Rätsel gelöst zu haben, wie Bakterien Krebs verursachen, noch beweist sie, dass diese spezifischen Bakterien die alleinigen Treiber der Krankheit sind. Stattdessen etabliert sie eine neue Fähigkeit. Sie zeigt, dass Wissenschaftler nun in der Lage sind, die riesigen Archive konservierter Gewebeproben aus Krankenhäusern auf der ganzen Welt zu nehmen und die bakteriellen Gemeinschaften darin mit hoher Präzision abzubilden. Die Forscher merkten an, dass sie mit ihrer Methode aufgrund der spezifischen Sonden nur die Bakterien finden können, für die sie die Sonden entworfen haben, was bedeutet, dass sie mit diesem speziellen Setup keine völlig neuen, unbekannten Arten entdecken können. Das System ist jedoch flexibel genug, um in Zukunft mit mehr Sonden erweitert zu werden.

Die Ergebnisse unterstreichen auch die Bedeutung der Betrachtung der räumlichen Anordnung von Mikroben. Die Tatsache, dass verschiedene Bakterien innerhalb desselben Tumors unterschiedliche Verteilungsmuster zeigten, legt nahe, dass ihr Standort eine Rolle spielt. Einige könnten an der Oberfläche lauern, während andere aktiv in den Kern des Krebses infiltrieren. Diese Detailtiefe war von der am häufigsten vorkommenden Art medizinischer Präparate zuvor nicht zu erhalten. Indem sie bewiesen, dass diese Technik an formalinfixiertem, in Paraffin eingebettetem Gewebe funktioniert, haben die Forscher einen allgemeinen Rahmen geschaffen, der auf andere Krankheiten und andere Arten von konservierten Proben angewendet werden kann. Es verändert die Art und Weise, wie Wissenschaftler in die Medizingeschichte zurückblicken können, indem es ihnen ermöglicht, neue Fragen über die unsichtbare mikrobielle Welt zu stellen, die in unseren Körpern lebt und unsere Gesundheit prägt.