Wie kann eine einzige kranke Zelle in einem intakten Gehirn oder einem menschlichen Herzen aufgespürt werden? Diese Fragestellung gleicht der Suche nach der Nadel im Heuhaufen. Die Teams von Prof. Dr. Ali Ertürk von Helmholtz Munich und Prof. Dr. Matthias Mann am Max-Planck-Institut für Biochemie in Martinsried bei München haben nun eine neue Technologie namens DISCO-MS entwickelt, die dieses Problem lösen kann. DISCO-MS nutzt Robotertechnologien, um Proteomikdaten von „kranken“ Zellen zu erhalten, die in einem frühen Stadium der Krankheit genau identifiziert werden.

Die meisten Krankheiten verlaufen zunächst asymptomatisch und Betroffene fühlen sich in der Regel noch gut – die Symptome sind noch nicht vorhanden oder noch zu schwach, um sie zu bemerken. Doch im Körper ist bereits eine Veränderung eingetreten: Ein Virus hat begonnen, sich zu vermehren, oder eine abtrünnige Zelle hat sich häufiger geteilt, als sie sollte. Doch wie können diese Veränderungen wahrgenommen werden?

Forscher:innen stehen vor einem ähnlichen Dilemma, wenn sie die frühe Entwicklung von Krankheiten untersuchen. Selbst wenn sie mit Tiermodellen arbeiten, können die Wissenschaftler:innen nur selten die spezifische Lokalität des Krankheitsursprungs bestimmten, oder die genauen molekularen Veränderungen charakterisieren, die am Fortschreiten der Krankheit beteiligt sind.

Mit der Entwicklung von DISCO-MS durch die Forschungsteams um Ertürk und Mann in Deutschland, ist diese Aufgabe viel einfacher geworden. DISCO-MS kombiniert Methoden, die Gewebe von Mäusen und Menschen transparent machen, mit den neuesten Robotik- und Proteomik-Technologien, um ihre molekulare Zusammensetzung zu bestimmen.

How can you trace a single diseased cell in an intact brain or a human heart? The search resembles looking for a needle in a haystack. The teams of Prof. Dr. Ali Ertürk at Helmholtz Munich and Prof. Dr. Matthias Mann at the Max Planck Institute of Biochemistry in Martinsried near Munich have now developed a new technology named DISCO-MS that solves the problem. DISCO-MS uses robotics technology to obtain proteomics data from ‘sick’ cells precisely identified early in the disease.

Most diseases are asymptomatic initially and the affected persons usually still feel fine – symptoms are not yet present, or still too mild to realize. However, a change has already happened within the body: a virus may have started replicating, or a rogue cell might have divided more often than it should have. But how can these changes be perceived?

Researchers face a similar dilemma when they are studying the early development of diseases. Even when working with animal models, scientists can rarely pinpoint the small sites of disease initiation or characterize the exact molecular changes that drive disease progression.

With the development of DISCO-MS by the research teams of Ertürk and Mann in Germany, this task has become much easier. DISCO-MS combines methods to turn mouse and human tissues transparent with the latest robotics and proteomics technologies to determine their molecular makeup.

DISCO-MS: Transparenz zur Erkennung früher molekularer Veränderungen
DISCO-MS beginnt mit dem sogenannten DISCO-Gewebe-Clearing, das den Mauskörper oder menschliche Organe transparent und damit für die Bildgebung zugänglich macht. Auf diese Weise können fluoreszenzmarkierte Zellen in intaktem Gewebe, an bestimmten Stellen, mit Hilfe hochauflösender dreidimensionaler Mikroskopie leicht identifiziert werden.

Sobald die interessanten Regionen bestimmt wurden, werden sie mit einer neuen Roboter-Technologie namens DISCO-bot isoliert, die von dem Maschinenbau-Ingenieur Furkan Öztürk, einem Doktoranden in Ertürks Labor, entwickelt wurde. Die robotergestützt entnommenen Gewebe werden für ihre Proteomanalyse mit fortschrittlichen Massenspektrometrie-Methoden verarbeitet, die Andreas-David Brunner entwickelte, ein ehemaliger Doktorand in Manns Labor. Dieser Hightech-Ansatz ermöglicht die vollständige, molekulare Charakterisierung jeder gewünschten Geweberegion, die in 3D in ganzen Mauskörpern oder menschlichen Organen identifiziert wurde.

DISCO-MS: Transparency to detect early molecular changes
DISCO-MS starts with the so-called DISCO tissue clearing, which renders the mouse body or human organs transparent – making them accessible to imaging. Thereby, fluorescently labeled cells can be readily identified in intact tissues of specific sites using high-resolution three-dimensional microscopy.

Once the regions of interest have been identified, they are isolated using a new robotics technology called DISCO-bot, developed by mechanical engineer Furkan Öztürk, a Ph.D. student in Ertürk’s lab. The robot-assisted extracted tissues are processed for their proteome analysis using advanced mass spectrometry (MS) methods developed by Andreas-David Brunner, a former Ph.D. student in Mann’s lab. This high-tech approach allows complete molecular characterization of any desired tissue region identified in 3D in whole mouse bodies or human organs.

Früherkennung deckt Krankheiten auf
Um die Leistungsfähigkeit der Methode zu demonstrieren, wendeten der Erstautor, Harsharan Singh Bhatia, und seine Kolleg:innen DISCO-MS auf ein Mausmodell der Alzheimer-Krankheit (AD) und auf atherosklerotische Plaques (krankhafte Verhärtungen und Verengungen von Blutgefäßen) im menschlichen Herzen an.

In den Gewebeproben des Alzheimer-Modells wandte das Team künstliche Intelligenz (KI) an, um die typischen Alzheimer-Plaques in den frühen Stadien der Krankheit zu identifizieren, die mit anderen Methoden bisher nur schwer zu erkennen waren. Anschließende Proteomanalysen der Plaques ermöglichten eine unvoreingenommene und groß angelegte Untersuchung der bei Alzheimer betroffenen Proteine. Dabei wurden neue molekulare Akteure entdeckt, die als Biomarker für die Alzheimer-Krankheit fungieren könnten.

Im menschlichen Herzen interessierten sich die Forscher:innen für die Zusammensetzung des Gewebes um atherosklerotische Plaques, die nach der Gewebeentnahme schnell sichtbar wurden. Die KI-Detektion und die robotergestützte Extraktion der Gewebe ermöglichten die Identifizierung dysregulierter, molekularer Signalwege in den menschlichen Herzzellen, die mit den Aorten-Plaques in Verbindung stehen. Diese Ergebnisse sind von entscheidender Bedeutung, da sie die Grundlage für potenzielle therapeutische Ziele bilden.

DISCO-MS ist die erste Spatial-Omics-Technologie in intakten 3D-Volumina und beschleunigt somit die Untersuchung komplizierter Krankheiten, von Krebs- bis hin zu Stoffwechsel-Erkrankungen. Da DISCO-MS mit präklinischen und klinischen Geweben arbeitet, ermöglicht die Methode die Untersuchung von Krankheiten in ihren frühesten Stadien und in der Folge auch die Entwicklung potenzieller, neuer Therapeutika.

Originalveröffentlichung:
Bhatia et al. (2022). Spatial proteomics in three-dimensional intact specimens. Cell. https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.11.021(Cover)

Early detection catches the diseases
To showcase the method’s power, first author Harsharan Singh Bhatia and colleagues applied DISCO-MS to Alzheimer’s disease (AD) mouse model and to atherosclerotic plaques (pathological hardening and narrowing of blood vessels) in the human heart. In the tissue samples of the AD model, the team applied artificial intelligence (AI) to identify the typical AD plaques at the early stages of the disease, which had been difficult to detect by any other method. Subsequent proteomics analyses of the plaques provided an unbiased and large scale study of proteins affected in AD, revealing new molecular players that could be biomarkers for Alzheimer’s disease.

In the human heart, the researchers were interested in the composition of the tissues around atherosclerotic plaques, which were quickly visible after tissue clearing. AI detection and robotics extraction of the tissues again allowed the identification of dysregulated molecular pathways in human heart cells related to aortic plaques. These results are key findings, as they form the basis for potential therapeutic targets.

DISCO-MS is the first spatial-omics technology in intact 3D volumes and accelerates studying complicated diseases ranging from cancer to metabolic disorders. As DISCO-MS works with pre-clinical and clinical tissues, it enables the study of diseases at their earliest stages and, subsequently, the development of potential new therapeutics.

Original publication:
Bhatia et al. (2022). Spatial proteomics in three-dimensional intact specimens. Cell. https://doi.org/10.1016/j.cell.2022.11.021(Cover