Die Prozesse, die eine Zelle zur Aufrechterhaltung ihrer Homöostase und Funktionen benötigt, werden durch biochemische Reaktionen reguliert. Während dieser Reaktionen werden Stoffwechselprodukte gebildet, umgewandelt oder abgebaut, aus denen Informationen über den Zustand der Zelle und ihrer funktionalen Kapazität gewonnen werden kann. Sowohl Umwelteinflüsse als auch genomische Faktoren beeinflussen den Zustand und die Funktionsausübung einer Zelle und somit die Zusammensetzung der Stoffwechselprodukte innerhalb einer Zelle. Dadurch haben die Anwesenheit und Menge von Stoffwechselprodukten das Potential als Biomarker zu fungieren und können Auskunft über unterschiedliche Krankheitszustände geben. Idealerweise führt dies zur Identifizierung von Biomarkern, die zwischen Therapieansprechen und –versagen unterscheiden können. Aus diesem Grund haben sich mehrere MSTARS Partner zusammengetan und fokussieren ihre Arbeit auf die MS-basierte Analyse von Metaboliten, die schlussendlich zur Identifizierung von metabolischen Signaturen beitragen soll, um therapeutische Entscheidungen zu lenken. Diese standardisierten und fortschrittlichen MS-Analysemethoden sollen nachfolgend in die Klinik integriert werden.
AG Kirwan
Jennifer Kirwan und ihre Gruppe haben weitreichende Expertise im Bereich der MS Metabolomik. Sie analysieren die Interaktionen von Stoffwechselprodukten in Zellen und Körperflüssigkeiten, um Erkrankungen, ihre Ursachen und potentielle Behandlungsmethoden, auf neue und tiefgehende Weise zu analysieren. Die AG Kirwan nutzt dafür eine Reihe massenspektrometrischer Methoden, wie die Gaschromatographie MS (GC-MS), Flüssigchromatographie MS (LC-MS), direkte Infusions-MS (DIMS), Flüssigextraktions-Oberflächen MS (LESA MS), oder ultrahigh field asymmetric ion mobility spectrometry (FAIMS), und führt dadurch zum Erkenntnisgewinn im Bereich Krankheitsentstehung und Entdeckung neuer Behandlungsoptionen.
Im Kontext von MSTARS nutzt AG Kirwan quantitative und zielgerichtete sowie semi-quantitative und ungerichtete Analysen über DIMS, GC-MS und LC-MS, um ein umfassendes Profil metabolischer Veränderungen in unterschiedlichen Krankheitsentitäten zu erstellen und metabolische Anpassungen an medikamentöse Behandlungen im primären Anwendungsfall HNSCC zu adressieren. Um die Implementierung von metabolischen Analysen in die Klinik zu ermöglichen, werden Protokolle für die Probenaufbereitung und anschließender omics-Analyse ausgearbeitet, die einen standardisierten und robusten Arbeitsablauf ermöglichen. Der Fokus der Analysen liegt auf Tryptophan enthaltenden Stoffwechselprodukten, die eine wichtige Rolle bei der Regulierung von mTOR, der generellen Funktion des Immunsystems und der Interaktion des Wirts mit seinem Mikrobiom spielen.
AG Kempa
Das Zusammenspiel von Genen, Proteinen und Metaboliten bestimmt zelluläre Prozesse, wobei Veränderungen in diesem Auskunft über einen gesunden oder erkrankten Zustand geben. Das Labor von Stefan Kempa versucht das Zusammenspiel zwischen dem Metabolismus und der Genregulation besser zu verstehen. Dabei legen sie einen besonderen Fokus auf die metabolische Regulation und ihren Einfluss auf die Zelldifferenzierung und Krebsentstehung. Um die Dynamik des Metabolismus zu untersuchen nutzt und etabliert die Arbeitsgruppe von Stefan Kempa MS-basierte Methoden zur Analyse des Proteoms und Metaboloms, die in vitro und in vivo Analysen erlauben. Durch ihre Arbeit konnten sie einen Arbeitsablauf mit dem Namen pulse stable isotope-resolved metabolomics (pSIRM) entwickeln und patentieren, der eine dynamische, zeitlich aufgelöste und quantitative Messung des zentralen Metabolismus erlaubt.
Als Teil des MSTARS Konsortiums nutzt die Gruppe von Stefan Kempa pSIRM, um die Effekte von medikamentösen Behandlungen auf den zentralen Kohlenstoffmetabolismus zu untersuchen. Um das Wachstum von Tumorzellen einzuschränken adressieren zahlreiche Medikamente zur Krebsbehandlung die zelluläre DNA Synthese. Aus diesem Grund analysiert AG Kempa Intermediate der Nukleotidbiosynthese, um der Frage, ob medikamentöse Behandlungen auch im Metabolom und im Besonderen dem Nukleotidmetabolismus, widergespiegelt wird, nachzugehen. Darüber hinaus versuchen sie zu verstehen, wie Phänotypen in klinische Parameter übertragen werden können und integrieren Metabolom Daten mit Proteom und Bildgebungs-Daten, um multimodale Profile von Behandlungsantworten zu erhalten. Die Weiterentwicklung des Nukleotid-Profiling hi zu einer standardisiertne Anwendung auf präklinische Modelle ist das übergeordnete Ziel der Gruppe von Stefan Kempa.