CBBS - Life Cell Imaging System

Für die Entwicklung und Funktion von Nervenzellen ist die koordinierte Regulation intrazellulärer Signale von entscheidender Bedeutung. Diese Signale kontrollieren den Zellmetabolismus, die Wirkung genetischer Programme und auch die Reaktion auf elektrische und chemische Signale (Hormone, Transmitter), die auf diese Zellen einwirken. Eine Vielzahl von Beispielen belegt wie entscheidend Fehlfunktionen solcher intrazellulärer Signalwege an der Entstehung neuronaler Entwicklungsstörungen (z.B. der RAS/MAPK Signalweg bei RASopathien), aber auch neuropsychiatrischer und neurodegenerativer Erkrankungen beteiligt sind. Damit bieten diese intrazellulären Signalwege exzellente Ansatzpunkte für pharmakologische Therapien.
Leider ist jedoch die Wirkungsweise, Dynamik und das Zusammenspiel verschiedener Signalwege in den verschiedenen neuronalen Zelltypen bisher nicht hinreichend verstanden. Dies ist insbesondere auf die Vielfalt von Zellen in neuronalen Netzen zurückzuführen, die mit typischen biochemischen Methoden (z.B. Westernblot Analysen) nicht abgebildet werden konnte. Auch die Dynamik der Signalwege konnte bisher nur unzureichend untersucht werden. Mit der Entwicklung neuartiger Biosensoren können diese Einschränkungen nun überwunden werden. Diese Biosensoren beruhen auf veränderten Proteinmolekülen, deren Aktivierung zur Emission von Fluoreszenzsignalen unterschiedlicher Wellenlänge führen und die mit genetischen Vektoren in (genetisch entsprechend definierbare) Zellen eingebracht werden können.
Mithilfe des Life Cell Imaging Systems untersuchen wir nun diese intrazellulären Signale mit hoher Sensitivität, Auflösung und Aufnahmegeschwindigkeit in dissoziierten Zellen und in organotypischen Schnitten. Darüber hinaus manipulieren wir diese Signale durch neue chemooptogenetische Methoden. Hierbei werden lichtreaktive Proteine mit den Komponenten der Signalwege so gekoppelt dass es möglich wird ihre Aktivität und intrazelluläre Lokalisation durch ein externes Lichtsignal zu steuern. Die aus den Manipulationen folgenden morphologische Veränderungen und elektrische Aktivitäten in diesen lebenden neuronalen Zellen werden dabei mit entsprechend hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung verfolgt. So identifizieren wir die entscheidenden molekularen Komponenten neuronaler Erkrankungen und überprüfen ihr Potential als Ziel therapeutischer Interventionen.

CBBS- Life Cell Imaging System

The coordinated regulation of intracellular signals is of crucial importance for the development and function of nerve cells. These signals control cell metabolism, the effects of genetic programs and also the response to electrical and chemical signals (hormones, transmitters) that affect these cells. A variety of examples demonstrate the critical role played by malfunction of such intracellular signaling pathways in the development of neuronal developmental disorders (e.g., the RAS / MAPK signaling pathway in RASopathies), as well as neuropsychiatric and neurodegenerative diseases. Thus, these intracellular signaling pathways provide excellent starting points for pharmacological therapies.

Unfortunately, however, the mode of action, dynamics and the interaction of different signaling pathways in the various neuronal cell types are not yet sufficiently understood. This is particularly due to the variety of cells in neuronal networks that could not be imaged using typical biochemical methods (e.g., western blot analyzes). Moreover, the dynamics of the signaling pathways has so far been insufficiently investigated. With the development of novel biosensors, these limitations can now be overcome. These biosensors are based on modified protein molecules whose activation leads to the emission of fluorescence signals of different wavelengths and which can be introduced with genetic vectors into (genetically correspondingly definable) cells.

Using the Life Cell Imaging System, we are now investigating these intracellular signals with high sensitivity, resolution, and uptake rates in dissociated cells and in organotypic sections. In addition, we manipulate these signals through new chemooptogenetic methods. Here, light-reactive proteins are coupled with the components of the signaling pathways so that it is possible to control their activity and intracellular localization by an external light signal. The morphological changes and electrical activities in these living neuronal cells following from the manipulations are tracked with correspondingly high temporal and spatial resolution. In this way we identify crucial molecular components of neuronal diseases and examine their potential as targets for therapeutic interventions.