BaSiC – Neue Software zur Beobachtung der Stammzellentwicklung

Entwicklungsschritte von Stammzellen lassen sich nun leichter beobachten

Wissenschaftler können heutzutage die Entwicklung einer einzelnen Zelle kontinuierlich verfolgen – dank neuester Mikroskope und ausgefeilter Verfahren. Dennoch erschweren Störungen die Interpretation der Daten. Es kann es beispielsweise zu Schatten innerhalb der Bilder oder zu Hintergrundveränderungen kommen. Eine neuentwickelte Software korrigiert die Bilder nun per Algorithmus und macht so bislang verborgene Entwicklungsschritte sichtbar.

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Die neuentwickelte BaSiC-Software korrigiert Mikroskop-Aufnahmen automatisch und macht so bei Zeitraffervideos bislang unsichtbare Entwicklungsschritte sichtbar. Für die Grundlagenforschung ist das ein enorm wichtiger Schritt, denn nur so können die Prozesse bei der Entwicklung von Stammzellen und die Abfolge der Wachstumsfaktoren verstanden werden.

 

Die Entwicklung einer Stammzelle erfolgt in mehreren Schritten. Erst dann ist aus der undifferenzierten Stammzelle eine spezialisierte Körperzelle geworden. Forscher interessieren sich vor allem für bestimmte Signal-Proteine, die bei entscheidenden Entwicklungsschritten aktiv sind. Bildlich gesprochen stellen sie sich die Frage, welche Helfe an den einzelnen Abzweigen stehen und so die Stammzelle durch das Differenzierungslabyrinth lotsen.

 

Time-Lapse-Mikroskopie macht Abfolgen in der Stammzellen-Entwicklung sichtbar

Mit der Time-Lapse-Mikroskopie, also der Zeitraffer-Mikroskopie, sind Forscher in der Lage, einzelne Zellen in hoher zeitlicher Auflösung zu verfolgen. Mithilfe von Fluoreszenzmarkern lässt sich erkennen, zu welchem Zeitpunkt einzelne Proteine in der Zelle auftauchen.

Mittels einer Zelltracking-Software wird eine einzelne, identifizierte Stammzelle über mehrere Tage hinweg beobachtet. Für den Stammzellenforscher ist diese Beobachtung jedoch in der Praxis nicht unproblematisch, da die Bilddaten gestört sein können. Unregelmäßige Helligkeiten oder im Zeitverlauf ein verblassender Hintergrund führen zu Problemen. So können die Wissenschaftler oftmals nicht erkennen, welche Faktoren für eine bestimmte Entwicklungsrichtung nun ausschlaggebend sind. Um genau an dieser Stelle Abhilfe zu schaffen, hat sich eine die Arbeitsgruppe „Quantitative Single Cell Dynamics“ am Institute of Computational Biology (ICB) am Helmholtz Zentrum in München dieser Herausforderung angenommen.

Bislang gab es zwar bereits Algorithmen, die diese Störungen herausfiltern können. Deren Handhabung war jedoch sehr kompliziert. Sie benötigten teilweise extra angefertigte Referenzbilder oder eine große Anzahl von Bildern pro Datensatz. Auch waren vielfach komplexe manuelle Einstellungen erforderlich. Keine der bisherigen Methoden kann jedoch auch Korrekturen bei Hintergrundveränderungen vornehmen. Dieses Problem jedoch erschwert die Quantifizierung einzelner Zellen massiv.

 

BaSiC sorgt für klaren Duchblick in der Stammzellenforschung

Gemeinsam mit dem Lehrstuhl für Informatikanwendungen in der Medizin und Augmented Reality an der TU München gelang es nun den Helmholtz-Wissenschaftlern, einen Algorithmus zu entwickeln, der in der Lage ist, diese bekannten Störfaktoren anhand von wenigen Bildern pro Datensatz zu korrigieren. Die neuentwickelte Software wurde auf den Namen BaSiC getauft und für Wissenschaftler frei verfügbar. Außerdem kommt sie mit den im Bioimaging-Bereich verwendeten Bildtypen klar, beispielsweise ist sie auch bei Mosaikbildern einsetzbar. Diese bestehen aus vielen kleinen Einzelbildern und helfen bei der Darstellung von großen Gewebeschnitten. Doch die ganz große Stärke von BaSiC ist die Korrektur von Hintergrundveränderungen in Zeitraffervideos. Damit wird die Software als Werkzeug auch für Stammzellenforscher interessant.

 

Software-Korrekturen machen bislang Unsichtbares sichtbar

Das Können von BaSiC demonstrieren die Entwickler auch gleich an einem Beispiel. Zu sehen ist die Verbesserung eines Zeitraffervideos, das die Entwicklungsschritte von Blutstammzellen zeigt. Das Video beobachtet die Zellen sechs Tage lang. In der Beobachtungsspanne entscheidet sich eine unidfferenzierte Blutstammzelle dafür, zu einem bestimmten Zeitpunkt einen von zwei Entwicklungswegen einzuschlagen.

Auf den per Software korrigierten Bildern können die Forscher genau zu diesem Zeitpunkt feststellen, dass ein bestimmter Transkriptionsfaktor an Intensität zulegt. In der Vergleichszelllinie bleibt die Menge des Markers hingegen konstant. Hätten die Wissenschaftler die Bilder nicht mehr BaSiC aufbereitet, so wäre dieser wichtige Unterschied unerkannt geblieben.

Was bislang aufgrund von Störungen unsichtbar blieb, macht die neue Software nun sichtbar. Nur durch solche Grundlagenforschung ist es möglich, Stammzellen später gezielt zu beeinflussen und damit das Fernziel zu erreichen: Patienten mit einer Stammzellentherapie zu helfen, indem beispielsweise für Herzinfarkt-Patienten neue Herzmuskelzellen kultiviert werden. Die neuen Beobachtungsmöglichkeiten schaffen dafür die Grundlagen.

 

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