Durch eine Kombination aus Bildgebung von verformten Zellen und künstlicher Intelligenz ist es ForscherInnen am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts und dem Max-Planck-Zentrum für Physik und Medizin in Erlangen gelungen, eine Hochgeschwindigkeitsmethode zur Identifikation und Sortierung von Zellen zu entwickeln, die ohne eine externe Markierung der Zellen auskommt.

In Medizin und Biologie besteht ein großes Interesse an effizienten und kostengünstigen Methoden zur Identifizierung und Trennung verschiedener Zelltypen, beispielsweise für die medizinische Diagnostik oder für regenerative Therapien mithilfe von Stammzellen. Bislang wird dazu meist die sogenannte Durchflusszytometrie verwendet, bei der Zellen mit fluoreszierenden Antikörpern markiert und beim Durchfluss durch einen Kanal identifiziert werden.

Diese Methode hat jedoch ihre Schwachstellen: Sie ist nicht nur relativ teuer und zeitintensiv, sondern auch die Antikörper selbst sind problematisch. Da sie körperfremd sind, können sie die Eigenschaften der Zellen, an die sie andocken, verändern und etwa bei einer Injektion in den Körper Schwierigkeiten bereiten. Auch ist die Identifikation von Zellen bei der Durchflusszytometrie ist nicht immer fehlerfrei.

Als zusätzliches Unterscheidungsmerkmal lassen sich deshalb physikalische Eigenschaften der Zellen nutzen: Aufgrund des Zytoskeletts, eines feinen Netzwerks von Filamenten in der Zellstruktur, besitzt jede Zellart charakteristische mechanische Eigenschaften wie etwa Form, Größe und insbesondere die Verformbarkeit.

Das Team um Jochen Guck, Direktor am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, hat darauf aufbauend vor einigen Jahren eine neue Technik entwickelt: Die Echtzeit-Verformungszytometrie (real-time deformability cytometry, kurz: RT-DC). Dabei wird eine Zelllösung durch einen transparenten Kanal von weniger als dem Durchmesser eines Haares gedrückt. Die Zellen werden dabei unbeschadet in die Länge gezogen und der Grad der Verformung lässt eine Zuordnung zu einem bestimmten Zelltyp zu.

Die Zuordnung der Zelltypen erfolgt mit Hilfe der Aufnahmen einer Highspeed-Kamera, die die verformten Zellen im Kanal mit 2.000 bis 4.000 Bildern pro Sekunde aufnimmt. Das ist vergleichbar z.B. mit Videos, in denen das Platzen eines Luftballons in Zeitlupe beobachtet werden kann.

Die Bilder werden dann mit einer speziellen Software ausgewertet, die bestimmte, vorher definierte Zelleigenschaften in Echtzeit auswertet. Diese Echtzeit-Auswertung, bei der jede Zelle sofort in dem Moment, in dem sie durch den Kanal fließt, identifiziert wird, ist jetzt die Basis für die erste Neuheit. Denn sie ermöglicht es, die Zellen nach der Identifizierung gezielt in einen Sammelkanal abzulenken. So können Zellen jetzt erstmals auch aufgrund ihrer Verformbarkeit sortiert werden.

Eine weitere Neuheit liegt darin, RT-DC mit künstlicher Intelligenz zu kombinieren: Hunderttausende Bilder von einzelnen Zellen sind eine ideale Basis, um ein neuronales Netzwerk darauf zu trainieren, verschiedene Zelltypen zu erkennen. In bisher nicht erreichter Geschwindigkeit kann der KI-Algorithmus dann Zellen identifizieren und ebenfalls in Echtzeit nach Wunsch sortieren.

Guck vergleicht diesen Ansatz mit der Stärke von Google: “Wenn Katzenbesitzer im Internet Millionen von Katzenfotos posten und dazu etwas schreiben wie ‘meine Katze’, wird der Suchalgorithmus anhand des Bilds und des Kommentars darauf trainiert, die Eigenschaften zu erkennen, die eine Katze ausmachen. Wenn dann jemand nach ‘Katze’ googelt, kann der Algorithmus durch das Training eines neuronalen Netzwerks die Bilder mit Katzeneigenschaften identifizieren und aus allen anderen Haustierfotos herausfiltern.”

Ähnlich verhält es sich mit der neuen Methode der Forschergruppe um Guck: Da die Fluoreszenzmoleküle so ausgewählt werden, dass sie nur an bestimmte Zellen andocken, entspricht das Aufleuchten eines Fluoreszenzmoleküls quasi dem Kommentar “meine Katze”. Das Foto der Zelle mit all ihren Eigenschaften entspricht dem Katzenbild. So lernt das neuronale Netzwerk, dass ein Aufleuchten mit einem bestimmten Zelltyp verbunden ist und kann eine Verbindung zum dazugehörigen Foto der Zelle herstellen.

Wurde das neuronale Netzwerk durch den Fluoreszenzmarker ausreichend auf einen Zelltyp trainiert, kann der Marker schließlich ganz weggelassen werden und der Zelltyp wird auch ohne Fluoreszenz erkannt, genauso wie der Google-Algorithmus gelernt hat, unabhängig von Kommentaren Katzen zu erkennen.

Diese neue Methode hat viele Vorteile: So fällt nach dem Training des neuronalen Netzwerks die zeit- und kostenintensive Floureszenz-Markierung zur Identifizierung weg und die Zellen werden nicht mehr durch körperfremde Moleküle verändert. Dann reichen die von der Highspeed-Kamera geschossenen Bilder aus, um die Zellen zu identifizieren. Dieses Vorgehen ist sehr zellschonend, verändert die Zelleigenschaften nicht und kann bis zu 1000 Zellen pro Sekunde analysieren.

Die Anwendung von künstlicher Intelligenz auf RT-DC bietet außerdem die Erleichterung, dass die Parameter, anhand derer die Zellerkennung oder eine Zellveränderung durch beispielsweise Krankheiten festgemacht werden kann, nicht vorher definiert werden müssen. Man kann die KI selbst entscheiden lassen, anhand welcher Bildinformation Zellen am besten unterschieden werden können.

Guck nennt die neu entwickelte Methode, die nun in der Fachzeitschrift Nature Methods veröffentlicht wurde, einen “ultimativen Zellsortierer”: Sie vereint die Genauigkeit der etablierten Erkennung über Fluoreszenz mit der Sensitivität der inhärenten mechanischen Zelleigenschaften und hat das Potential, als zukünftige Standardmethode Einzug in alle biologischen und biomedizinschen Labore zu halten.

In Zukunft lassen sich damit beispielsweise schnell, unbeschadet und unverändert blutbildende Stammzellen aus einer Probe gewinnen, die dann einem Chemotherapie-Patienten zum Wiederaufbau des Immunsystems injiziert werden können oder besonders geeignete Photorezeptorzellen aus humanen Organoiden heraussortieren, um damit durch Transplantation manche Formen der Blindheit abzuwenden.

(Visited 1 times, 1 visits today)

Related posts:

Why India cases are rising to multiple peaks
Ein Datenschatz für die Ganganalyse
Researchers identify key role of immune cells in brain development
Merkel press office staffer 'worked for years for Egyptian intelligence'
France investigates report of bodies 'left to rot' at Paris research centre
New study supports remdesivir as COVID-19 treatment
Neues Proteomik-Verfahren: Detaillierter Einblick in die gestresste Zelle
US sees latest record surge in virus cases amid wrangling over lockdown measures
Air Pollution Takes a Global Toll on Heart Health
Indoor airborne spread of coronavirus possible
Australia locks down second city as global cases top 12 million
Serbia drops plans for reimposed lockdown after days of violent protests
WHO launches global pandemic response probe
French César awards announce changes in response to Polanski #MeToo brouhaha
Airborne coronavirus transmission raises new questions and worries
Forecasts predict worse EU recession since WWII
reducing your risk of kidney stones
Scientists discover protective Alzheimer's gene and develop rapid drug-testing platform
UK declines participating in EU Covid-19 vaccine scheme over concerns of delays
Technology Bridges the Gap to Better Sight
CT of COVID-19 versus CT of influenza virus pneumonia
Bolivia's President Anez tests positive for Covid-19
Dogs May Be Good for Children’s Psychological Development
New study outlines best practices for delivering care via telehealth
What’s the Best Exercise for You? Twins Can Provide an Answer
A memory game could help us understand brain injury
Übernahme von Rhön-Klinikum AG durch Asklepios abgeschlossen
Corsicans harness the #IWas movement to challenge a culture of silence
Drug Giants Create Fund to Bolster Struggling Antibiotic Start-Ups
Coronavirus fears kept many essential workers at home in April, study finds
Stationär behandelte Bronchiolitis: Feste Nachsorgetermine möglicherweise gar nicht notwendig
Facing ridicule, France changes title for its ‘minister for attractiveness’
The Coronavirus Can Float in Indoor Air, W.H.O. Concedes
Covid-19 drug buyout: US's EU representative denies 'America First' policy on Remdesivir
Virtuelle Hämatologie/Onkologie-Jahrestagung: „Mehr Wissenschaft – mehr Hoffnung“
Streamlining acute malnutrition treatment brings same recovery in children at lower cost
A Missed Warning About Silent Coronavirus Infections
COVID-19-Studie: Studie errechnet doppelten Nutzen bei überlasteten Intensivstationen
Body of Seoul’s mayor found after massive search
Living close to green space benefits gut bacteria of urban, formula-fed infants
Regeneron Scientists Raced To Find Antibodies To Fight Covid-19. Then The Coronavirus Found Them.
DKG: Finanzierung der ambulanten Krebsberatung weiterhin nicht gesichert
Study sheds light on how cancer spreads in blood
Volunteer carpenters aim to settle reconstruction debate
At Least 5 States Set Single-Day Coronavirus Case Records
IQWiG empfiehlt kein Screening auf Hodenkrebs
Libya: Countries who supported Haftar 'bet on the losing horse', adviser to GNA says
one in six British people would refuse a vaccine – here's how to change their minds
Who Gets a Vaccine First? U.S. Considers Race in Coronavirus Plans
Supreme Court rules NY prosecutors can obtain Trump tax returns
Aktuelle ASCO-Studien zeigen hohen Stellenwert der Radioonkologie bei Kopf-Hals-Tumoren
Ten tips for looking after your back while you're sitting down
Live Coronavirus Updates: U.S. Daily Cases Surpass 59,000
Asthma und Allergien: Zusammenhang mit Schlafgewohnheiten von Jugendlichen
China's new strategy to tame second-wave virus outbreaks
Biogen engagiert sich in Deutschland im weltweiten Kampf gegen COVID-19
Schools or bars? Opening classrooms may mean hard choices
Künstliche Intelligenz im Kampf gegen das Coronavirus
A wave of independence sweeps across Africa
Virus cases jump in worst-hit trio of US, Brazil and India
MEG Teltow übernimmt urologische Praxis in Finsterwalde
Four-time Tour winner Chris Froome to leave Team INEOS at end of season
Scientists identify key factor regulating abnormal heart growth
PREDICT-Card: Wirksam gegen Bauchspeicheldrüsenkrebs - Biermann Medizin
Is it safe to visit the dentist during the pandemic?
'Consensus' that Notre-Dame spire should be rebuilt in original form
Benigner paroxysmaler Lagerungsschwindel – Letzte Therapieoption
Ultra-fine X-rays target brain cancer cells with precision
Wirkstoffe aus Kieler Meeresalgen als Mittel gegen Infektionen und Hautkrebs entdeckt
Almost 30 women accuse Paris street artist of rape, sexual assault
'Anti-vaxxers' gain traction against HPV vaccine on Facebook, study shows
Gentherapie bei Netzhautdegeneration: Was ist heute möglich? Wie geht es weiter?
George Floyd told officers 'I can't breathe' more than 20 times, transcript shows
Immediate outreach increases children's likelihood of completing PTSD screens, says researcher
Warning of possible virus resurgence, France rules out another 'total lockdown'
Implantate: Wie lassen sich Komplikationen nach der OP verringern?
Researchers uncover a critical early step of the visual process
Trump insists on re-opening schools as US Covid-19 death toll tops 3 million
Mexican president lauds Trump despite past threats, insults against Mexicans
5G networks have few health impacts, study finds
Grave Shortages of P.P.E. Gear Flare Again as Covid Cases Surge
Melbourne starts six-week lockdown on fears of second Covid-19 wave
Donald Trump 'narcissist', 'never been loved', writes niece in tell-all book
Spatial mapping method pinpoints potential new therapeutic targets in lupus
Study of 17 Million Identifies Crucial Risk Factors for Coronavirus Deaths
Nurses and midwives take the lead in providing HIV services in Eastern and Southern Africa
Brazil's President Bolsonaro taking - and pushing
Drug treatment could improve effectiveness of immunotherapy for cancer patients
Menthol cigarette ban in the US may lower number of smokers
Higher fruit, vegetable and whole grain intake linked to lower risk of diabetes
Experimental drug shows early promise against inherited form of ALS, trial indicates
Harvard, MIT sue Trump administration over revoking foreign student visas
Large-scale fall prevention study finds smaller than expected benefit
NfL outperforms other blood tests to predict and diagnose traumatic brain injury
Ivorian Prime Minister Amadou Gon Coulibaly dies at 61
Angeborene Herzfehler: Veränderungen der Hirnstruktur mit MRT schon im Mutterleib erkennen
A helping hand for cancer immunotherapy
Second wave of Covid-19 sweeps Iran, 'affecting the elderly, young and children' (1/2)
UK announces £30bn Covid-19 stimulus package aimed at young people
Schnelltests auf Streptokokken und Antibiotika-Verordnungen

Leave a comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *