Krebsstammzellen (CSCs) sind eine Subpopulation von Tumorzellen, die stammzellähnliche Eigenschaften aufweisen1. Ähnlich wie ihre nicht-krebsartigen Gegenstücke besitzen CSCs die außergewöhnliche Fähigkeit, sich selbst zu erneuern und zu vermehren. Zusammen mit anderen eingebauten Mechanismen, wie z.B. der Hochregulierung von ATP-bindenden Kassettentransportern, bleiben CSCs oft von anfänglichen chirurgischen Debulking-Anstrengungen sowie einer anschließenden adjuvanten Therapie verschont2. Aufgrund ihrer entscheidenden Rolle bei der Behandlungvon Resistenz 3, Rezidiv4 und Metastasierung5 sind CSCs zu einer Priorität in der Krebsforschung geworden. Obwohl es eine Vielzahl von Zelloberflächenantigenen (z. B. CD133) gibt, die zur Identifizierung von CSCs verwendet werden können6, hat sich die Nutzung der enzymatischen Aktivität von Aldehyddehydrogenasen (ALDHs) im Zytoplasmaals attraktive Alternative 7 herausgestellt. ALDHs sind eine Superfamilie von 19 Enzymen, die für die Katalyse der Oxidation von reaktiven endogenen und xenobiotischen Aldehyden zu den entsprechenden Carbonsäureprodukten verantwortlich sind8.
Im Allgemeinen ist die Entgiftung von Aldehyden von entscheidender Bedeutung, um die Zellen vor unerwünschten Vernetzungsereignissen und oxidativem Stress zu schützen, die die Integrität der Stammzellen schädigen können9. Darüber hinaus steuert die 1A1-Isoform den Retinsäurestoffwechsel, der wiederum die Stammzellbildung über die Retinaldehyd-Signalübertragungbeeinflusst 10. AlDeSense 11,12, eine aktivitätsbasierte Sensorsonde (ABS) mit kleinen Molekülen zum selektiven Nachweis der Aktivität von ALDH1A1, wurde kürzlich entwickelt. ABS-Designs erreichen die Detektion von Analyten durch eine chemische Veränderung und nicht durch ein Bindungsereignis, was eine hohe Selektivität und verringerte Off-Target-Reaktionen ermöglicht13,14,15,16. Das Konstruktionsprinzip der isoformselektiven fluorogenen Sonde beruht auf einem Donor-Photo-induzierten Elektronentransfer (d-PeT)-Quenching-Mechanismus17, der von der funktionellen Gruppe des Aldehyds ausgeht und dazu dient, die fluoreszierende Signatur der Sonde18 zu unterdrücken. Bei der Umwandlung von ALDH1A1 in die Carbonsäure wird die Strahlungsrelaxation freigesetzt, um ein stark fluoreszierendes Produkt zu erhalten. Da die d-PeT-Abschreckung nie zu 100 % effizient ist, wurde die Restfluoreszenz, die zu möglichen falsch positiven Ergebnissen führen kann, bei der Etablierung dieses Assays durch die Entwicklung von Ctrl-AlDeSense berücksichtigt, einem nicht ansprechenden Reagenz mit übereinstimmenden photophysikalischen Eigenschaften (z. B. Quantenausbeute) und einem identischen zytoplasmatischen Färbemuster in Zellen. Bei gleichzeitiger Verwendung kann diese einzigartige Paarung mithilfe von Fluorimetrie, molekularer Bildgebung und Durchflusszytometrie zuverlässig Zellen mit hoher ALDH1A1-Aktivität von solchen unterscheiden, die niedrige Konzentrationen aufweisen. Die Verwendung von isoformselektiv aktivierbaren Farbstoffen gegenüber herkömmlichen immunhistochemischen Methoden bringt mehrere entscheidende Vorteile mit sich. Zum Beispiel wird angenommen, dass CSCs tief in einem Tumor vergraben sind und daher für ein kleines Molekül im Vergleich zu großen Antikörpern leichter zugänglich sind19. Darüber hinaus modifiziert das umgedrehte fluoreszierende Produkt keine zellulären Komponenten kovalent, was bedeutet, dass es leicht über Waschzyklen entfernt werden kann, um ein CSC in einem unveränderten Zustand zu belassen. Schließlich identifiziert die Einschaltreaktion nur lebensfähige Zellen und Funktionen, ähnlich wie beim MTT-Assay, da sie auf den NAD+-Kofaktor angewiesen ist.

Abbildung 1: Schematische Darstellung des Fluoreszenz-Einschaltens von AlDeSense. Der isoformselektive Farbstoff wird durch ALDH1A1 aktiviert und kann verwendet werden, um eine erhöhte ALDH1A1-Aktivität in Eierstockkrebszellen mittels Fluorimetrie, molekularer Bildgebung und Durchflusszytometrie zu identifizieren. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
In früheren Arbeiten wurde mit dem isoformselektiven fluorogenen Sondenassay erfolgreich ALDH high (ALDH+) Zellen von ALDH low (ALDH-) Zellen in humanen K562 chronischen Leukämiezellen, MDA-MB-231 humanen Brustkrebszellen und B16F0 murinen Melanomzellen stratifiziert. Dies ist wichtig, da für viele Krebsarten eine hohe ALDH1A1-Proteinexpression eine schlechtere klinische Prognose bedeutet20. Dies setzt voraus, dass erhöhte ALDH1A1-Spiegel auf CSCs hinweisen, die sich der Behandlung entziehen, Resistenzen entwickeln und sich im ganzen Körper ausbreiten können. Im Fall von Eierstockkrebs gibt es jedoch Studien, die das Gegenteil belegen (eine hohe ALDH1A1-Expression ist mit einem verbesserten Überleben der Patientin verbunden)21,22,23,24. Auch wenn dies auf den ersten Blick widersprüchlich erscheinen mag, korreliert die Expression nicht unbedingt mit der Enzymaktivität, die durch Veränderungen der Tumormikroumgebung (z. B. pH-Fluss, Sauerstoffgradienten), die Verfügbarkeit des NAD+-Cofaktors oder der Aldehydsubstrate, den Gehalt an Carbonsäuren (Produkthemmung) und posttranslationale Modifikationen, die die Enzymaktivität verändern können, beeinflusst werden kann25 . Darüber hinaus wird das Ovarialkarzinom in fünf histologische Haupttypen unterteilt (hochgradig serös, niedriggradig serös, endometrioid, klarzellig und muzinös), von denen wir annehmen, dass sie unterschiedliche Konzentrationen der ALDH1A1-Aktivität aufweisen26. Mit dem Ziel, die Aktivität von ALDH1A1 in Ovarialtumoren zu untersuchen, wurde ein isoformselektiver fluorogener Sondenassay verwendet, um ALDH1A1+-Populationen in einem Panel von fünf Ovarialkarzinomzelllinien zu identifizieren, die zu den verschiedenen oben genannten histologischen Typen gehören. Zu den in dieser Studie getesteten Zelllinien gehören BG-1-, Caov-3-, IGROV-1-, OVCAR-3- und PEO4-Zellen, die klare Zell- und seröse Histotypen abdecken. Hier wurde die Vielseitigkeit und Generalisierbarkeit der Sonde hervorgehoben, um CSCs für die Forscher zu identifizieren, die ähnliche Studien in anderen immortalisierten Krebszelllinien sowie in Patientenproben durchführen möchten. Der Einsatz von AlDeSense wird Aufschluss über die biochemischen Signalwege geben, die an der Aufrechterhaltung von CSC in komplexen Gewebemikroumgebungen beteiligt sind, und möglicherweise als klinisches Werkzeug zur Bestimmung der Prognose und Messung der Krebsaggressivität dienen.