Die Glycocalyx bildet eine Art Mantel aus glykosylierten Molekülen, der alle menschlichen Zellen umgibt. Sie ist der erste Teil der Zelle, der mit der äußeren Umgebung in Kontakt tritt. Dabei ist ihre räumliche Organisation keineswegs statisch, sondern verändert sich fortlaufend. Eine Forschungsgruppe unter Leitung von Prof. Leonhard Möckl am MPL untersucht die Zellbiologie dieser Struktur. Mit einer neuen Methode namens „Glycan Atlassing“ konnten die Forschenden nun systematisch zeigen, dass sich charakteristische räumliche Glykanmuster mit physiologischen Zellzuständen verknüpfen lassen.

Mithilfe superhochauflösender Mikroskopietechnologie wurden unterschiedliche Zelloberflächen untersucht – von Zelllinien über primäre Immunzellen und Neuronen bis hin zu primären Gewebeschnitten. Dabei entstand eine nanoskalige „Landkarte“ der Glycocalyx. Auf molekularer Ebene zeigte sich, dass sich die räumliche Organisation der Zuckerstrukturen mit Veränderungen des Zellzustands verschiebt. So waren etwa auf Immunzellen Glykanmuster anders angeordnet, wenn die Zellen stimuliert wurden, wie es etwa bei einer Immunaktivierung der Fall ist. Die Daten sprechen dafür, dass die Zelloberfläche nicht nur strukturell organisiert ist, sondern funktionell Informationen über den Zellzustand nach außen widerspiegeln kann.

Die im Nanometerbereich gewonnenen räumlichen Profile ermöglichten es, unterschiedliche Zellzustände voneinander abzugrenzen. Die Forschenden konnten frühe, mit Krebsentwicklung assoziierte Zellzustände unterscheiden, aktivierte gegenüber nicht aktivierten Immunzellen erkennen sowie Tumor- und Nicht-Tumor-Areale in primären humanen Brustadenokarzinom-Gewebeschnitten trennen. Die Ergebnisse stützen die Annahme, dass die Zelloberfläche als strukturierte funktionelle Anzeige nach außen verstanden werden kann und sich mit standardisierbaren analytischen Verfahren auslesen lässt. „Die Ergebnisse liefern eine vielversprechende Grundlage für die Entwicklung zukünftiger Diagnoseverfahren, da Glycan Atlassing auch in komplexen biologischen Proben charakteristische räumliche Signaturen erfassen konnte“, erläutert Möckl, Studienleiter und Korrespondenzautor.

Im nächsten Schritt soll die Methode auf weitere Zielstrukturen ausgeweitet und stärker automatisiert werden. Ziel des Teams ist es, die Zahl der untersuchten Proben zu erhöhen und das Verfahren für breiter einsetzbare diagnostische Anwendungen weiterzuentwickeln. „In breit angelegten Studien möchten wir prüfen, welche Oberflächenmuster mit bestimmten Krankheitsverläufen oder Therapieantworten zusammenhängen und wie sich Zellzustände über die Oberfläche früh und objektiv erfassen lassen“, erläutert Möckl die nächsten Schritte seines Teams.