DigLungCancer - Digitaler Zellzwilling für Lungenkrebs

Die computergestützte Modellierung und Simulation der Zellelektrophysiologie ist ein etabliertes Instrument für die Analyse der Bioelektrizität erregbarer Zellen. Allerdings wurden bisher nur wenige mathematische Modelle für die Simulation bioelektrischer Zellfunktionen nicht erregbarer Zellen entwickelt, z. B. für die Beschreibung der spannungsabhängigen Modulation der Zellsekretion, der Kalziumdynamik oder der Aktivierung von T-Lymphozyten. Diese ersten Versuche, die auf der Berücksichtigung der wichtigsten Ionenkanaltypen in einem mathematischen Modell beruhen, zeigen eindrucksvoll das Potenzial solcher Modelle für eine genaue Simulation und zuverlässige Vorhersage von zellulären Prozessen und Aktivitäten auch in nicht erregbaren Zellen. Bei der Krebsentstehung ist das von Ionenkanal- und -pumpenproteinen erzeugte Membranpotenzial Vm wichtig für die Bestimmung des Differenzierungszustands und der Proliferation. Eine Möglichkeit der Krebsentstehung ist die Störung elektrischer Gradienten oder Mechanismen, mit denen sie von den Zellen wahrgenommen werden. Vm ist somit ein wichtiger nicht-genetischer biophysikalischer Parameter der Krebs-Mikroumgebung, der das Wachstum und die Karzinogenese reguliert. Krebsartige und proliferative Gewebe sind im Allgemeinen positiver geladen oder depolarisiert als nicht-proliferative Zellen. Eine pharmakologische Blockade von Ionenkanälen ist daher eine beliebte Methode zur “Störung” des Membranpotenzials. Das Membranpotenzial wurde als wichtiger Regulator der Proliferation in einer Reihe von Zelltypen untersucht, was darauf hindeutet, dass die Modulation von Vm sowohl für die Übergänge der G1/S-Phase als auch der G2/M-Phase erforderlich ist. Das In-Silico-Lungenkrebszellmodell-Projekt zielt nun darauf ab, das weltweit erste digitale Ionenstrommodell einer menschlichen A549-Lungenadenokarzinomzelle, das 2021 veröffentlicht wurde, weiterzuentwickeln, indem ein Hidden-Markov-Modellierungsansatz (HMM) und Daten aus Patch-Clamp-Messungen zur Modellparametrisierung und -validierung verwendet werden. Zunächst wird das ursprüngliche Zellmodell auf der Grundlage unserer Vorarbeiten um weitere plasmalemmale Ionenkanäle und eine Beschreibung der intrazellulären Kalziumdynamik erweitert. Im nächsten Schritt wird das Basismodell der Zellzyklusphase G0 angepasst und hinsichtlich der Anzahl der exprimierten Ionenkanäle, der Funktion und der Interaktion mit anderen Kanälen während des Übergangs von einer Zellzyklusphase zu einer anderen Phase (G0, G1, S, G2/M) neu parametrisiert. Zur Modellvalidierung werden ausgewählte Szenarien von Ionenkanalmodulationen durchgeführt, indem Modellsimulationen mit experimentellen Daten verglichen werden. Das Modell wird dann verwendet, um zwei hochrelevante Forschungsfragen im menschlichen Lungenadenokarzinom mit Hilfe von Modellsimulationen und Laborexperimenten zu untersuchen. Wir stellen hier zum ersten Mal ein experimentell validiertes In-silico-Zellmodell einer Lungenkrebs-Zelllinie vor, das ein tieferes Verständnis der potenziellen Rollen und Interaktionen von Ionenkanälen bei der Tumorentwicklung und -progression durch gezielte Modulation ausgewählter Ionenkanäle mittels in-Silico Simulationen und in-vitro Messungen ermöglicht. Insbesondere wird erwartet, dass die Hemmung von CRAC-Kanälen die lokale Kalziumkonzentration erheblich verändert und die Aktivität des KCa3.1-Kanals beeinträchtigt oder unterbricht, wodurch der G1/S-Übergang behindert und die Zelle durch Depolarisierung des Membranpotenzials zum Stillstand gebracht wird.