dSTORM Aufnahme von EVs

EV Biogenese
created by BioRender

Monitoring von EV-Aufnahmen in HEK Zellen

TFF Set-up

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Extrazelluläre Vesikel (EVs) sind Membranpartikel endosomalen Ursprungs mit einem Durchmesser von typischerweise 50 bis 200 Nanometern. Sie werden von einer Vielzahl von Zellen freigesetzt. Durch den Transport verschiedener Biomoleküle wie Proteine, Lipide und microRNAs können sie eine Vielzahl biologischer Prozesse auslösen und regulieren. Wir entwickeln neue Strategien zur Identifizierung von Biomarkern auf der Grundlage einer verbesserten EV-Phänotypisierung. Dies gewährleistet eine valide Charakterisierung von EV-Populationen in verschiedenen Bioflüssigkeiten und ermöglicht innovative Biomarker- und Funktionsstudien. Zu diesem Zweck verwenden und entwickeln wir modernste Methoden zur Reinigung und Charakterisierung von EVs. Dazu gehören unter anderem Größenausschluss- und Anionenaustauschchromatographie sowie vollautomatische Tangentialflussfiltration für die skalierbare und zuverlässige Isolierung von EVs. Für die anschließende Charakterisierung auf der Ebene einzelner Vesikel verwenden wir mikroskopische Techniken wie dSTORM-Superauflösungsbildgebung mit dem NanoImager (ONI) und hochdurchsatzfähige beugungsbegrenzte Fluoreszenz- und interferometrische Bildgebung mit der ExoView R100-Plattform (Unchained Labs). Diese gereinigten und charakterisierten EV-Populationen werden anschließend in verschiedenen Biomarker-Studien oder Funktionsassays eingesetzt.

EV basierter Feedbackloop in Lungenkrebs
Donzelli et al., J Extracell Vesicles. 2021

EVs aus Flüssigbiopsien als Biomarker
Saul et al., Trillium 2025

microRNA basierte stratifizierungs Methode

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MiRNAs sind eine Klasse kleiner nicht-kodierender RNAs, die zur posttranskriptionellen Regulierung der Genexpression beitragen. Wir haben eine neue Funktion von miR-574-5p identifiziert. Sie basiert auf einem RNA-Decoy für das CUG-RNA-Bindungsprotein 1 (CUGBP1) und hemmt dessen Funktion als Repressor der mikrosomalen Prostaglandin-E-Synthase 1 (mPGES-1), einem Schlüsselenzym der Prostaglandin-Biosynthese. Eine erhöhte intrazelluläre miR-574-5p-Expression steht in direktem Zusammenhang mit einer gesteigerten Synthese von Prostaglandin E2 (PGE2), einem wichtigen proinflammatorischen Lipidmediator. Der neu entdeckte Zusammenhang zwischen miR-574-5p und PGE2 qualifiziert miR-574-5p als minimalinvasiven Biomarker zur Auswahl von Krebspatienten, die wahrscheinlich auf die pharmakologische Hemmung von PGE2 ansprechen.

Wir untersuchen, ob parakrine Mechanismen von miR-574-5p eine entscheidende Rolle bei der Tumorentwicklung spielen. Dazu analysieren wir, ob miR-574-5p innerhalb von sEV zwischen Krebszellen und Zellen der Tumormikroumgebung übertragen wird, um die Tumorprogression zu beeinflussen. Wir haben Lungenkrebs und Neuroblastom als vergleichbare Tumormodellsysteme gewählt. Beide Tumorarten sind PGE2-abhängig, unterscheiden sich aber durch den zellulären Ort der PGE2-Synthese.

Der miR-574-5p/CUGBP1-Köder reguliert die PGE2-Biosynthese intrazellulär. Ein hoher intrazellulärer miR-574-5p induziert die PGE2-Biosynthese. PGE2 löst die Sekretion von miR-574-5p im sEV aus. In Empfänger-Lungenkrebszellen aktiviert sEV-abgeleitetes miR-574-5p die TLR7/8-Signalisierung, was zu verringerten miR-574-5p-, mPGES-1- und PGE2-Spiegeln führt.

EBC collection

EBC EVs

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Ausgeatmetes Atemkondensat (EBC) entwickelt sich zu einer leistungsstarken nicht-invasiven Flüssigbiopsie, die während der normalen Atmung aerosolisierte Tröpfchen aus den unteren Atemwegen auffängt. Es spiegelt die biochemische Umgebung der Atemwege wider und ermöglicht den Zugang zu Material aus der Lunge ohne invasive Verfahren. Innerhalb dieses Kondensats stellen extrazelluläre Vesikel (EVs) eine besonders informative molekulare Quelle dar; geschützt durch ihre Lipidmembran bewahren sie verschiedene Biomoleküle, ermöglichen eine zuverlässige Multimarker-Analyse und melden empfindlich physiologische und pathologische Veränderungen. Unsere Forschungsgruppe erstellt Profile von EBC-abgeleiteten EVs und damit verbundenen Biomarkern, um Signaturen für die frühzeitige Diagnose und das Fortschreiten von Krankheiten zu identifizieren. Wir verwenden ein standardisiertes EBC-Entnahmeprotokoll unter Verwendung eines von der FDA zugelassenen Geräts (RT Tube) mit einer Probenahmezeit von 10–15 Minuten, das für die EV-Ausbeute und molekulare Integrität optimiert ist und Proben gewährleistet, die für klinische Anwendungen wie Diagnose und Therapieüberwachung geeignet sind. Um diese Arbeit voranzutreiben, richten wir in Zusammenarbeit mit dem Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf eine EBC-Biobank ein, die Proben von mehr als hundert Lungenkrebspatienten umfasst, die vor und nach der Operation entnommen wurden, sowie Proben von gesunden Kontrollpersonen, darunter sowohl Raucher als auch Nichtraucher. Diese wachsende Ressource bildet eine solide Grundlage für die Validierung von EV-basierten Biomarkern und die Weiterentwicklung von EBC als klinisch aussagekräftiges Instrument für die Lungenkrebsdiagnostik. Aufbauend auf dieser Biobank wenden wir ergänzende Analyseansätze an – von Nukleinsäureprofilen bis hin zu proteomischen Studien –, um eine rigorose Biomarker-Entdeckung und mechanistische Erkenntnisse zu ermöglichen. Parallel dazu setzen wir superauflösende Bildgebung (dSTORM unter Verwendung des ONI Nanoimagers) für die Charakterisierung einzelner EVs ein, was eine sensitive Quantifizierung der EV-Markerexpression bei hoher räumlicher Auflösung ermöglicht.