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DE19935047A1 - Flow-cytometric analysis of leukocyte subpopulations, comprises combining fluorescence-labeled components with a cell system and detecting in a single batch through fluorescence-induced label reactions - Google Patents

Flow-cytometric analysis of leukocyte subpopulations, comprises combining fluorescence-labeled components with a cell system and detecting in a single batch through fluorescence-induced label reactions

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DE19935047A1
DE19935047A1 DE1999135047 DE19935047A DE19935047A1 DE 19935047 A1 DE19935047 A1 DE 19935047A1 DE 1999135047 DE1999135047 DE 1999135047 DE 19935047 A DE19935047 A DE 19935047A DE 19935047 A1 DE19935047 A1 DE 19935047A1
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fluorescence
cell
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cell system
cells
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Abstract

A process (I) in which fluorescence-labeled components, such as antibodies, mixtures, microorganisms, parts of microorganisms, cells or parts of cells, are combined with a cell system and detected in a single batch through fluorescence-induced label reactions in the cell system or in a subpopulation, is new. Independent claims are also included for the following: (1) a process (II) in which a comprehensive representation and measurement of even complex reactions patterns of cell systems in direct and indirect relation to influencing factors (multidimensional dynamic cytofluorophoresis) can be achieved by a combination of multiple fluorescence-labeled biologically active components, a combination of multiple fluorescence-induced reaction-dependent labels and/or a combination of fluorescence-induced subpopulation labels, certain fluorescent dyes can be used repeatedly as a result of different signal intensities; and (2) software within which the cytometric listmode data from processes (I) and (II) are stored in a database together with all data characterizing the cell preparation and measurement, vector-graphic representations are generated from the data and analysis and comparison of the data is possible, even on a complex level, by tiltable multidata table lattices, hierarchical maskable or gateable fields, individual dataset representations and cross-tables of the parameters and diagram-overlapping discriminator lines.

Description

STAND DER TECHNIK - HINTERGRUND UND VORAUSSETZUNGEN DER METHODEPRIOR ART - BACKGROUND AND PREREQUISITES OF THE METHOD

Durch die Entwicklung der Zytometrie (Durchflußzytometrie, Scanning Zytometrie) in Verbindung mit Fluoreszenztechnik und monoklonaler Antikörperherstellung ist eine biologische Meßtechnik auf Einzelzellebene möglich geworden. Die Besonderheit der Durchflußzytometrie bei der Analyse von Zellen und biologischen Systemen liegt in der raschen, multiparametrischen, quantitativen Merkmalsdarstellung an einer großen Zahl von Einzelzellen in heterogener Zellsuspension (z. B. menschliches Vollblut). Von der methodisch-technischen Seite sind für das neue Verfahren vier, teilweise aufeinander aufbauende Meß- und Präparationstechniken nach dem Stand der Technik hervorzuheben:Through the development of cytometry (flow cytometry, scanning cytometry) in connection with Fluorescence technology and monoclonal antibody production is a biological measurement technique Single cell level has become possible. The specialty of flow cytometry when analyzing cells and biological systems lies in the rapid, multiparametric, quantitative representation of characteristics on a large number of single cells in heterogeneous cell suspension (e.g. human whole blood). On the methodological and technical side, there are four, partly on top of each other, for the new process to emphasize advanced measurement and preparation techniques according to the state of the art:

A. Statisch-deskriptive Messung von EinzelzellenA. Static-descriptive measurement of single cells

(1) Antikörper binden hochspezifisch an ihr zugehöriges Antigen. Durch monoklonale Antikörper können definierte Antigene an der Zelloberfläche sowie im Zellinneren selektiv erkannt und gebunden werden. Viele der heute bekannten Zelloberflächenmarker finden sich in der internationalen CD- Nomenklatur (Clusters of Differentiation).
(2) Unterschiedliche Zelltypen unterscheiden sich in der Art und Stärke der Expression verschiedener Antigene. Da nahezu kein Antigen alleine spezifisch für eine bestimmte Zellpopulation ist, d. h. auf unterschiedlichen Zellpopulationen auftreten kann, und ein Antigen theoretisch in den unterschiedlichsten Expressionsstärken auftreten kann, sind theoretisch unüberschaubar große Anzahlen von Kombinationen von Antigenen bzw. ihrer unterschiedlichen Expressionen möglich. Tatsächlich finden sich jedoch weit weniger, oft diskret abgrenzbare Kombinationen von Antigenexpressionen, die biologisch charakterisierbaren Zellpopulationen zugeordnet werden können. Hier ist noch genauer zwischen der Differenzierung und dem Aktivierungszustand einer Zelle zu unterscheiden. Bei Antigenen, die typisch für einen Differenzierungszustand von Zellen sind (z. B. CD3 für T-Lymphozyten), sind kaum Schwankungen in der Intensität zu erwarten (statisch), während bei Aktivierungs- und Funktionsmarkern (z. B. CD69, Zytokinexpression) kurzfristige Veränderungen (z. B. innerhalb von Stunden) als Reaktion auf Substanzen, Stimulatoren oder Mikroorganismen auftreten (dynamisch).
(3) Durch Kopplung der Antikörper mit unterschiedlichen Fluoreszenzfarbstoffen können in der Durchflußzytometrie/Scanning Zytometrie auf Einzelzellebene gleichzeitig mehrere Fluoreszenzfarben und damit Antigene gemessen werden.
(4) Aufgrund quantitativer Messung der Fluoreszenzintensität wird hierbei zusätzlich die Expressionstärke der Antigene gemessen. Dies erlaubt bei konstanten Messbedingungen einen direkten Vergleich von Antigenexpressionsstärken zumindest relativ zueinander. Bei Einsatz von Kalibrierungstechniken (Fluoreszenz-Beads), konstantem Antikörper-Fluorochrom-Kopplungsverhältnis und Absättigung aller Antigenbindungsstellen mit Antikörpern ist auch eine Ermittlung der absoluten Zahl von Antigenmolekülen pro Zelloberfläche bzw. pro Zelle möglich.
(5) Da besonders mit der Durchflußzytometrie innerhalb von Minuten Tausende von Zellen der gleichen Probe analysiert werden können, sind die Messungen der Antigene mit hoher statistischer Sicherheit und auch an nur sehr gering vertretenen Zelltypen möglich.
(1) Antibodies bind to their associated antigen in a highly specific manner. Monoclonal antibodies can be used to selectively recognize and bind defined antigens on the cell surface and inside the cell. Many of the cell surface markers known today can be found in the international CD nomenclature (Clusters of Differentiation).
(2) Different cell types differ in the type and strength of expression of different antigens. Since almost no antigen alone is specific for a specific cell population, ie it can occur on different cell populations, and an antigen can theoretically occur in a wide variety of expression levels, theoretically unmanageably large numbers of combinations of antigens or their different expressions are possible. In fact, there are far fewer, often discretely delimitable combinations of antigen expressions that can be assigned to biologically characterizable cell populations. Here it is necessary to differentiate more precisely between the differentiation and the activation state of a cell. With antigens that are typical for a differentiation state of cells (e.g. CD3 for T lymphocytes), hardly any fluctuations in intensity are to be expected (static), while with activation and function markers (e.g. CD69, cytokine expression) Short-term changes (e.g. within hours) occur in response to substances, stimulators or microorganisms (dynamic).
(3) By coupling the antibodies with different fluorescent dyes, several fluorescent colors and thus antigens can be measured simultaneously in flow cytometry / scanning cytometry at the individual cell level.
(4) Based on quantitative measurement of the fluorescence intensity, the expression level of the antigens is additionally measured. With constant measurement conditions, this allows a direct comparison of antigen expression levels, at least relative to one another. When using calibration techniques (fluorescence beads), constant antibody-fluorochrome coupling ratio and saturation of all antigen binding sites with antibodies, it is also possible to determine the absolute number of antigen molecules per cell surface or per cell.
(5) Since, especially with flow cytometry, thousands of cells from the same sample can be analyzed within minutes, measurements of the antigens are possible with a high degree of statistical certainty and also on very poorly represented cell types.

B. Bindungsstudien, Intemalisierung, PhagozytoseB. binding studies, intemalization, phagocytosis

(6) Neben Antikörpern können auch andere Moleküle von bekannter oder möglicher biologischer Relevanz (Liganden) bis hin zu größeren Partikeln und gesamten Mikroorganismen fluoreszenzmarkiert werden und ihr Bindungsverhalten gegenüber Zellen in der Durchflußzytometrie / Scanning Zytometrie quantitativ gemessen werden. Zu beachten ist hierbei, daß durch die Fluoreszenzmarkierung die biologischen Eigenschaften der Substanzen verändert werden können. Dies muß im Einzelfall überprüft bzw. kontrolliert werden.
(7) Aufgrund der multiparametrischen Messung kann das Bindungsverhalten ebenfalls subpopulationsbezogen analysiert werden.
(8) Sind Rezeptoren für die markierten Substanzen bekannt oder werden postuliert, kann die Verteilung und Expressionsstärke dieser Rezeptoren auf unterschiedlichen Zellpopulationen ermittelt werden.
(9) Neben dem rein statischen Bindungsverhalten können besonders in Abhängigkeit von Temperatur und Zeit auch bereits funktionelle Reaktionen der Zellen erfaßt werden (weiterer Anstieg der Fluoreszenzintensität bei Internalisierung und intrazellulärer Anreicherung der markierten Substanzen bzw. Phagozytose der markierten Mirkoorganismen). Hierbei müssen Veränderungen der Fluoreszenzmarkierungen (z. B. Quenching) durch biologische Prozesse kontrolliert werden.
(6) In addition to antibodies, other molecules of known or possible biological relevance (ligands) up to larger particles and entire microorganisms can also be fluorescence-labeled and their binding behavior towards cells can be quantitatively measured in flow cytometry / scanning cytometry. It should be noted here that the biological properties of the substances can be changed by the fluorescent labeling. This must be checked or checked in individual cases.
(7) Based on the multiparametric measurement, the binding behavior can also be analyzed on a subpopulation basis.
(8) If receptors for the labeled substances are known or are postulated, the distribution and expression level of these receptors can be determined on different cell populations.
(9) In addition to the purely static binding behavior, functional reactions of the cells can also be recorded, particularly as a function of temperature and time (further increase in the fluorescence intensity during internalization and intracellular enrichment of the labeled substances or phagocytosis of the labeled microorganisms). Changes in the fluorescent markings (e.g. quenching) must be controlled by biological processes.

C. Ex-vivo-Stimulation von Zellen und Messung von Reaktionen (Aktivierungsmarker, Zytokinexpression)C. Ex vivo stimulation of cells and measurement of reactions (activation markers, Cytokine expression)

(10) Mittels Zellkulturtechniken können Zellen, insbesondere in ihrem physiologischen Milieu und im heterogenen Gemisch (menschliches Vollblut) über Stunden bis Tage kultiviert und Stimuli wie Lipopolysacchariden, Lektinen, Mikroorganismen bzw. Teilen von diesen ausgesetzt werden.
(11) Da in der Durchflußzytometrie/Scanning Zytometrie spezifische Veränderungen subpopulationsbezogen gemessen werden können, können die Zellen in ihrem vollen physiologischen Kontext (Vollblut) kultiviert werden. So sind auch komplexere Gesamtreaktionen mit Beteiligung mehrerer Zellpopulationen ex-vivo erfassbar, was den in-vivo Verhältnissen näher kommt als bei einer für andere Techniken erforderlichen Zellseparation.
(12) Neben morphologischen Veränderungen und Zellproliferation werden hierzu besonders Aktivierungsmarkern, die auf der Zelloberfläche exprimiert werden, sowie intrazelluläre Zytokine gemessen. Hierdurch ist nicht nur das Verhalten einzelner Zellpopulationen auf bestimmte Stimuli hin meßbar, sondern es lassen sich auch auf funktioneller Ebene weitere Zellsubpopulationen charakterisieren, beispielsweise pro- und anti-inflammatorische Zellen (TH1/TH2) etc.
(10) Using cell culture techniques, cells, particularly in their physiological milieu and in a heterogeneous mixture (human whole blood), can be cultivated for hours or days and stimuli such as lipopolysaccharides, lectins, microorganisms or parts thereof can be exposed.
(11) Since flow cytometry / scanning cytometry enables specific changes to be measured on a subpopulation basis, the cells can be cultured in their full physiological context (whole blood). In this way, even more complex overall reactions involving several cell populations can be recorded ex vivo, which is closer to the in vivo situation than with a cell separation required for other techniques.
(12) In addition to morphological changes and cell proliferation, activation markers, which are expressed on the cell surface, and intracellular cytokines are measured. This not only allows the behavior of individual cell populations to be measured in relation to specific stimuli, but also further cell sub-populations can be characterized at the functional level, for example pro- and anti-inflammatory cells (TH1 / TH2) etc.

D. Spezifische Stimulation von Zellen/Signalauslösung durch AntikörperD. Specific stimulation of cells / signaling by antibodies

(13) Neben vielen anderen biologisch aktiven Molekülen können insbesondere auch Antikörper biologische Signale an Zellen auslösen. Der besondere Vorteil liegt hierbei wiederum in der hohen Spezifität von Antikörpern. Kann beispielsweise ein physiologischer Ligand über verschiedene Rezeptoren mit unterschiedlichen nachgeschalteten Transduktionswegen gleichzeitig unterschiedliche biologische Einzelreaktionen auslösen, so ist eine Kreuzreaktivität eines Antikörpers viel seltener bzw. durch entsprechende Auswahl des Antikörpers vermeidbar. Somit lassen sich über Antikörper komplexere biologische Aktivierungs- und Regulationsprozesse an Zellen in Teilprozessen studieren und über schrittweise Kombinationen (Kostimulation) dis Gesamtreaktionen analysieren bzw. beeinflussen.(13) In addition to many other biologically active molecules, antibodies can also be used trigger biological signals on cells. The particular advantage here is again the high Specificity of antibodies. For example, a physiological ligand can have several Receptors with different downstream transduction pathways different at the same time trigger individual biological reactions, cross-reactivity of an antibody is much rarer or avoidable by appropriate selection of the antibody. Thus, antibodies can Study more complex biological activation and regulation processes on cells in sub-processes and Analyze or influence the overall reactions using step-by-step combinations (costimulation).

Die Bedeutung der Stimulation mit Antikörpern, insbesondere an Immunzellen, reicht von der Grundlagenforschung (molekularbiologische Fragestellungen, Signaltransduktion), über Autoimmunerkrankungen (z. B. Autoimmun-Threoditis, wobei pathologischerweise stimulierende Autoantikörper gegen den Schilddrüsenhormonrezeptor auftreten können) bis hin zu aktuellen therapeutischen Ansätzen zur gezielten Immunstimulation z. B. bei Tumorerkrankungen.The importance of stimulation with antibodies, especially on immune cells, ranges from Basic research (molecular biological questions, signal transduction) about Autoimmune diseases (e.g. autoimmune threoditis, being pathologically stimulating Autoantibodies against the thyroid hormone receptor can occur) up to current therapeutic approaches for targeted immune stimulation e.g. B. in tumor diseases.

PROBLEMSTELLUNGPROBLEM POSITION

Mit hochspezialisierten und weit entwickelten Methoden der Molekularbiologie werden viele Einzelaspekte biologischer Systeme bis auf molekulare Ebene genau analysiert und identifiziert. Trotz der somit rasch anwachsenden Zahl identifizierter Gene und Moleküle und der Etablierung der "Molekularen Medizin" wird immer wieder deutlich, daß die Vielfalt bestimmbarer Parameter allein oft nur wenig zum Gesamtverständnis biologischer Systeme und Erkrankungen beitragen kann. Zahlreiche Ansätze, besonders im Rahmen der Diagnostik, Therapie und Prognose von Erkrankungen, die Vielfalt der Parameter auf wenige entscheidende Marker und Wirkstoffe zu reduzieren, erweisen sich als limitiert und hängen von der sonstigen Heterogenität der untersuchten Gruppe ab (Beispiel: Diagnostik, Prognose und Therapie bei der Sepsis). Andererseits ist der technische, zeitliche und kostenmäßige Aufwand längst überschritten, daß man alle neuen Parameter umfassend mit allen anderen möglicherweise assoziierten im Einzelfall noch bestimmen kann.With highly specialized and highly developed methods of molecular biology, many Individual aspects of biological systems are precisely analyzed and identified down to the molecular level. Despite the rapidly growing number of genes and molecules identified and the establishment of the "Molecular medicine" is always clear that the variety of determinable parameters alone often only can contribute little to the overall understanding of biological systems and diseases. Numerous Approaches, especially in the context of diagnosis, therapy and prognosis of diseases, diversity reducing the parameters to a few key markers and active ingredients has proven to be limited and depend on the other heterogeneity of the group examined (example: diagnostics,  Prognosis and therapy in sepsis). On the other hand, the technical, time and cost Effort has long been exceeded that all new parameters are comprehensively shared with all others may still determine associated in individual cases.

Das biologische Verhalten von Zellsystemen ist weiterhin nicht einfach aus der Summe des Verhaltens der klassifizierbaren Subpopulationen ableitbar, ebenso wie das Verhalten einer Einzelzelle nicht einfach aus der Summe ihrer molekularen Prozesse ableitbar ist, selbst wenn man alle Einzelprozesse messen und beschreiben könnte.The biological behavior of cell systems is still not simply the sum of the behavior of the classifiable subpopulations, just as the behavior of a single cell is not easy can be derived from the sum of their molecular processes, even if you measure all individual processes and could describe.

Somit sind neue Methoden erforderlich, die es erlauben, Zellen in ihrem Kontext und ganze Zellsysteme in ihren Eigenschaften und ihrer Funktionalität auf komplexerer Ebene zu analysieren und zu vergleichen und den in-vivo Verhältnissen dabei möglichst nahe zu kommen.Thus new methods are required that allow cells in their context and entire cell systems to analyze and compare their properties and their functionality on a more complex level and to come as close as possible to the in vivo conditions.

Derzeit übliche Techniken und Meßverfahren in der Zytometrie fokusieren, trotz multiparametrischer Messung auf Einzelzellniveau, doch oft wieder auf Teilaspekten des untersuchten biologischen Systems. So werden beispielsweise nur bestimmte Zellpopulationen nach hochspezifischen Merkmalen separiert (Zellsorting) und mit diesen Stimulationen und Messungen durchgeführt. Da die Zelle jedoch hierbei aus ihrem physiologischen/pathologischem Systemkontext genommen sind, können die Ergebnisse nicht grundsätzlich auf die in-vivo Verhältnisse angewandt werden. Ähnliches gilt auch für biologische Aktivität von Substanzen in Zellsystemen. Aus der Summe der Einzelwirkungen kann nicht einfach auf Gesamtwirkung am System geschlossen werden, zumal Konzentrationsverhältinsse, Zielpopulation, Zeitpunkt und Zeitdauer der Einzelsubstanzen völlig unterschiedliche Einflüsse haben können. Auch diese Aspekte von synergistischen Wirkungen, Agonismus und/oder Antagonismus, Kostimulation und Modulation, d. h. letztlich komplexe Wirkungsmuster von Substanzen bzw. Substanzgemischen bis hin zu Mikroorganismen werden mit den üblichen zytometrischen Meßtechniken nur wenig erfaßt.Current techniques and measurement methods in cytometry focus, despite multiparametric Measurement on a single cell level, but often again on partial aspects of the examined biological system. For example, only certain cell populations are separated according to highly specific characteristics (Cell sorting) and performed with these stimulations and measurements. However, since the cell is off their physiological / pathological system context, the results cannot basically applied to the in vivo conditions. The same applies to biological activity of substances in cell systems. The sum of the individual effects cannot simply be based on Overall effect on the system can be concluded, especially since concentration ratios, target population, The time and duration of the individual substances can have completely different influences. Also these aspects of synergistic effects, agonism and / or antagonism, costimulation and Modulation, i. H. ultimately complex patterns of action from substances or substance mixtures up to Microorganisms are only little detected with the usual cytometric measurement techniques.

Derzeit verbreitete Durchflußzytometer messen 5-6 Parameter pro Einzelzelle (Vorwärtsstreulicht, Seitwärtsstreulicht, 3-4 Fluoreszenzfarben). Geräte, die noch mehr Fluoreszenzen messen können, sind bereits vereinzelt im Einsatz bzw. in Entwicklung. Der publizierte Stand der Technik liegt bei 11 Parametern (Vorwärtsstreulicht, Seitwärtsstreulicht, 9 Fluoreszenzfarben), was aber bereits 3 verschiedene Anregungslaser erfordert. Mit jeder zusätzlichen Fluoreszenzfarbe steigt somit erheblich der Aufwand der meßtechnischen Apparatur, zusätzlicher neuer Fluoreszenzmarkierungen, deren biologisches Verhalten nicht vorhersehbar ist, und nicht zuletzt auch der Kosten. Außerdem ist vom physikalischen Prinzip der Fluoreszenz her das Spektrum mit möglichst wenigen anregenden Lichtquellen und gleichzeitig möglichst vielen unterschiedlichen, wenig überlappend emittierenden Fluoreszenzfarbstoffen bereits ziemlich ausgereizt.Current flow cytometers measure 5-6 parameters per single cell (forward scattered light, Side scattered light, 3-4 fluorescent colors). Devices that can measure even more fluorescence are already in use or in development. The published state of the art is 11 Parameters (forward scattered light, side scattered light, 9 fluorescent colors), but this is already 3 requires different excitation lasers. With each additional fluorescent color increases significantly the expense of the measuring equipment, additional new fluorescent labels, their biological behavior is not predictable, and last but not least the cost. Also from physical principle of fluorescence forth the spectrum with as few stimulating as possible Light sources and at the same time as many different, little overlapping emitting Fluorescent dyes are already quite exhausted.

Auch durch sequentielle Färbungen und Messungen wie es durch die Scanning Zytometrie möglich ist, kann die Zahl gleichzeitig meßbarer Parameter noch etwas erhöht werden. Also by sequential staining and measurements as is possible with scanning cytometry, the number of parameters that can be measured simultaneously can be increased somewhat.  

Grundsätzlich sind jedoch bereits hunderte einzelne Marker, vielfach über fluoreszenzmarkiert monoklonale Antikörper, auf Zellebene meßbar. Demgegenüber ist die Anzahl an in der Zytometrie gleichzeitig meßbaren Parametern relativ klein. Zur umfassenden Charakterisierung von biologischen Systemen und Funktionen sind jedoch auch Messungen sinnvoll, in die gleichzeitig möglichst viele Parameter eingehen, selbst wenn meß- und datentechnisch keine völlige Einzelaufschlüsselung mehr möglich ist, aber die komplexe Gesamtreaktion analysier- und vergleichbar ist.In principle, however, there are already hundreds of individual markers, many of which are fluorescence-labeled monoclonal antibodies, measurable at cell level. In contrast, the number of in cytometry measurable parameters at the same time relatively small. For the comprehensive characterization of biological Systems and functions also make sense, however, in which as many as possible at the same time Enter parameters, even if the measurement and data technology no longer provides a complete individual breakdown is possible, but the complex overall reaction can be analyzed and compared.

Die Problemstellung läßt sich an einer Analogie aus dem molekularbiologischen Bereich verdeutlichen: Trennt man Serumproteine mit der klassischen Technik der Elektrophorese auf, erhält man 5 "Hauptpopulationen" von Molekülen: Albumin, α1-Globuline, α2-Globuline, β-Globuline, γ-Globuline. Setzt man verfeinerte Methoden wie Immunelektrophorese ein, kann man die Auflösung in weitere "Subpopulationen" von Molekülen bis hin zu Einzelproteinen weiter erhöhen. Obwohl inzwischen viele einzelne Serumproteine genau identifziert sind und bekannt ist, in welcher Serumelektrophoresebereich diese zu finden sind, wird dennoch auch heute noch die Serumelektrophorese als solche z. B. bei dem Vergleich bestimmter Seren sowie in der Diagnostik von Erkrankungen herangezogen. Dies ist zum einen schneller und kostengünstiger, zum anderen würde eine Einzelanalyse aller heute bekannten Serumproteine immer noch Lücken aufweisen und kann eine ganzheitliche Gesamtanalyse mit einem typischen Muster der Fraktionen nicht ersetzen, sondern nur ergänzen. Durch die Technik der 2D- Elektrophorese ist es möglich, ein komplettes heterogenes Molekülgemisch in ein 2-dimensionales Muster aufzutrennen, wobei bei konstanten Durchführungsbedingungen ein direkter Vergleich dieser Muster möglich ist, noch bevor eine molekulare Identifizierung einzelner Spots, d. h. "Molekülpopulationen" erfolgt.The problem can be illustrated using an analogy from the field of molecular biology: If you separate serum proteins using the classic technique of electrophoresis, you get 5 "Main populations" of molecules: albumin, α1-globulins, α2-globulins, β-globulins, γ-globulins. If you use refined methods such as immunoelectrophoresis, the resolution can be broken down into more Increase "subpopulations" of molecules to single proteins. Although many now individual serum proteins are exactly identified and it is known in which serum electrophoresis area these can be found, is still used today as such for such serum electrophoresis. B. at the Comparison of certain sera and in the diagnosis of diseases. On the one hand, this is faster and cheaper, on the other hand, a single analysis of all known today Serum proteins still have gaps and can be a holistic overall analysis with one do not replace the typical pattern of the parliamentary groups, only supplement them. Through the technology of 2D Electrophoresis makes it possible to transform a complete heterogeneous mixture of molecules into a 2-dimensional one To separate patterns, with a direct comparison of these with constant execution conditions Pattern is possible even before molecular identification of individual spots, i. H. "Molecular populations" takes place.

PROBLEMLÖSUNGTROUBLESHOOTING

Bei den meisten der primär als reine Zellmarker beschriebenen Antigene (Vgl. CD; Clusters of Differentiation) zeigt sich bei weiteren Untersuchungen, daß diese auch funktionelle Bedeutung haben, da Zellen besonders über differenzierte Oberflächenstrukturen mit ihrer Umgebung und ihrer Umwelt kommunizieren (Signalverarbeitung etc.)Most of the antigens primarily described as pure cell markers (cf. CD; clusters of Differentiation) shows in further investigations that these also have functional significance, since cells particularly have differentiated surface structures with their surroundings and their environment communicate (signal processing etc.)

Entscheidend für die Multidimensionale Dynamische Cytofluorophorese (MDCFP) sind 2 Schritte, die diese Aspekte miteinbeziehen und die parameterabhängige Verteilung von Zellen im multidimensionalen Meßraum qualitativ und quantitativ deutlich erweitern. Decisive for the Multidimensional Dynamic Cytofluorophoresis (MDCFP) are 2 steps that include these aspects and the parameter-dependent distribution of cells in the multidimensional Clearly expand the measuring room qualitatively and quantitatively.  

1. Der Einsatz von fiuoreszenzmarkierten Komponenten zur Darstellung biologischer Effekte bereits in der Zellkulturphase (dynamische Färbung)1. The use of fluorescence-labeled components to represent biological effects already in the cell culture phase (dynamic staining)

Fluoreszenzmarkierte Moleküle, insbesondere Antikörper, bis hin zu gesamten Mikroorganismen und Zellen werden im Gegensatz zur in der Zytometrie üblichen, rein markierenden Färbung bereits in der Zellkultur eingesetzt, um biologische Effekte auszulösen. Durch die stabile Markierung kann die Bindung der Komponenten an bestimmte Zellen verfolgt und in direkter Beziehung zu biologischen Aktivitäten an bzw. in diesen Zellen gemessen werden (Kombination von Bindungsanalyse und gleichzeitiger Messung von Funktions- bzw. Aktivierungsparametern).Fluorescence-labeled molecules, especially antibodies, up to entire microorganisms and In contrast to the purely labeling staining that is customary in cytometry, cells are already in the Cell culture used to trigger biological effects. Due to the stable marking, the binding The components are tracked to specific cells and directly related to biological activities or measured in these cells (combination of binding analysis and simultaneous measurement of function or activation parameters).

Dies wird möglich, wenn
This will be possible if

  • a) die Bindung der fluoreszenzmarkierten Komponente an die Zielzelle über die Zellkultur hin stabil bleibt,a) the binding of the fluorescence-labeled component to the target cell is stable via the cell culture remains,
  • b) die Fluoreszenzmarkierung in der Zellkultur weitgehend stabil bleibt,b) the fluorescent label remains largely stable in the cell culture,
  • c) die Fluoreszenzmarkierung die biologische Aktivität der Moleküle bzw. Mikroorganismen nicht wesentlich beeinträchtigt,c) the fluorescent label does not affect the biological activity of the molecules or microorganisms significantly impaired
  • d) der Natriumazidgehalt, der sich bei fluoreszenzmarkierten Antikörpern zur Konservierung findet, keinen wesentlichen Einfluß auf die biologische Antwort der Zielzellen hat.d) the sodium azide content found in fluorescence-labeled antibodies for conservation, has no significant influence on the biological response of the target cells.

Ansätze und Messungen mit handelsüblichen für den üblichen Einsatz in der Durchflußzytometrie geeigneten Substanzen, insbesondere Antikörper, zeigen in dieser dynamischen Anwendung deutliche und reproduzierbare Effekte. Aufgrund gezielter Kontrolle der kritischen Voraussetzungen a) bis d) ist ggf. noch eine Feinoptimierung der biologischen Aktivität möglich.Approaches and measurements with commercially available for the usual use in flow cytometry Suitable substances, especially antibodies, clearly show in this dynamic application and reproducible effects. Due to targeted control of the critical requirements a) to d) if necessary, a fine optimization of the biological activity is possible.

Das Spektrum einzusetzender Komponenten reicht von Molekülen und Substanzen bis hin zu Mikroorganismen und Targetzellen (z. B. Tumorzellen), Komponenten, die in unmarkierter Form bereits vielfach in ex-vivo Ansätzen eingesetzt werden.The spectrum of components to be used ranges from molecules and substances to Microorganisms and target cells (e.g. tumor cells), components that are already in unlabelled form are widely used in ex vivo approaches.

Bei typischen Ligand-Rezeptor-Verhältnissen haben fluoreszenzmarkierte Antikörper als Stimulatoren und/oder Blocker gegenüber den physiologischen, meist kleineren Liganden-Molekülen folgende Vorteile: Die Beladung mit Fluoreszenzfarbstoffmolekülen ist höher, daher resultiert ein stärkeres und somit besser vom Hintergrundrauschen abgrenzbares Intensitätssignal. Weiterhin läßt sich der Meßbereich besser ausnutzen, da noch mehr und höhere Verdünnungen des Liganden dargestellt werden können. Die Bindung des Antikörpers ist hochspezifisch, meist gegen ein bestimmtes, vorher schon bekanntes bzw. mit anderen Methoden analysiertes Antigen gerichtet, so daß spezifische Signalwege und Signalverarbeitung im heterogenen Zellsystem analysiert werden können.At typical ligand-receptor ratios, fluorescent-labeled antibodies have stimulators and / or blockers compared to the physiological, usually smaller ligand molecules have the following advantages: The loading with fluorescent dye molecules is higher, which results in a stronger and therefore Intensity signal that can be better distinguished from the background noise. Furthermore, the measuring range can make better use of it, since even more and higher dilutions of the ligand can be prepared. The binding of the antibody is highly specific, usually against a certain previously known one or antigen analyzed by other methods, so that specific signaling pathways and Signal processing in the heterogeneous cell system can be analyzed.

Beim Einsatz in der Multidimensionalen Dynamischen Cytofluorophorese ist somit bei Antikörpern nicht nur die Antigenspezifität, die z. B. aus der CD-Bezeichnung (Cluster of Differentiation) hervorgeht, entscheidend, sondern zusätzlich die funktionale Spezifität, d. h. ob der Antikörper am Bindungsort zusätzlich Aktivierung, Hemmung/Verdrängung eines natürlichen Liganden mit oder ohne eigene Aktivierungswirkung zeigt.When used in multidimensional dynamic cytofluorophoresis, this is not the case with antibodies only the antigen specificity, e.g. B. emerges from the CD designation (Cluster of Differentiation),  crucial, but also the functional specificity, d. H. whether the antibody is at the binding site additional activation, inhibition / displacement of a natural ligand with or without your own Activation effect shows.

2. Darstellung und Einbeziehung von mehr Parametern als durch die Anzahl verschiedener Farben/Meßkanäle limitiert sind (charakteristisches Signalüberlagerungsmuster von Komponenten mit der gleichen Farbmarkierung)2. Presentation and inclusion of more parameters than by the number of different ones Colors / measuring channels are limited (characteristic signal overlay pattern of components with the same color marking)

Die Durchflußzytometrie/Scanning Zytometrie kann als Abbildung jeder Zelle aufgrund ihrer individuellen Parameterausprägungen als Punkt im n-dimensionalen Raum betrachtet werden. Üblicherweise werden entsprechende Marker über fluoreszenzmarkierte Antikörper in sättigender Konzentration eingesetzt und dann die Lage unterscheidbarer Zellpopulationen mit Auswertung des prozentualen Anteils sowie statistischer Kenngrößen ermittelt. Verallgemeinert man dieses Prinzip und kehrt es um, so kann die Lage dieses Punktes gezielt beeinflußt werden durch
The flow cytometry / scanning cytometry can be viewed as an image of each cell based on its individual parameter values as a point in n-dimensional space. Corresponding markers using fluorescence-labeled antibodies are usually used in a saturating concentration and then the position of distinguishable cell populations is determined with evaluation of the percentage and statistical parameters. If one generalizes this principle and reverses it, the position of this point can be influenced by

  • a) die Auswahl des biologischen Markers / Parameters,a) the selection of the biological marker / parameter,
  • b) das verwendete Fluorochrom im Verhältnis zur Signalverstärkung,b) the fluorochrome used in relation to the signal amplification,
  • c) die Konzentration bzw. Verdünnung des Markermoleküls, bei Bindung in nicht sättigender Konzentration oder auch Mischung von markiertem und unmarkiertem Markermolekülen kann jedoch nur eine insgesamt schwächere Signalintensität als bei optimalen Bedingungen von a) und b) erreicht werden. Hierdurch kann z. B. bei zwei etwa gleich stark exprimierten Antigenen eines gezielt schwächer dargestellt werden und somit eine Unterscheidung der beiden auf der gleichen Farbe ermöglicht werden.c) the concentration or dilution of the marker molecule, when bound in non-saturating Concentration or mixture of labeled and unlabeled marker molecules can only achieved an overall weaker signal intensity than under optimal conditions of a) and b) become. As a result, z. B. with two approximately equally expressed antigens one weaker are displayed and thus a distinction between the two can be made on the same color.
  • d) den Einsatz von Verstärkungssystemen, z. B. indirekte Immunfluoreszenz und Sandwich-Techniken; hierdurch können schwach exprimierte Antigene überhaupt erst darstellbar werden, niedrig- und mittelstarke Antigene können in den oberen Meßbereich verschoben werden und damit "Platz" für andere Parameter machen.d) the use of reinforcement systems, e.g. B. indirect immunofluorescence and sandwich techniques; in this way, weakly expressed antigens can only be displayed, low and medium-strength antigens can be moved into the upper measuring range and thus "space" for others Make parameters.

So ist das primäre Ziel der Methode, möglichst viele verschiedene Merkmalsausprägungen und Funktionszustände von heterogenen Zellsystemen in einer Messung nebeneinander (d. h. im Meßbereich von 1 bis 1024 Meßkanälen) darzustellen und somit direkt vergleichbar zu machen. Dies ist zunächst auch grundsätzlich unabhängig davon, ob sich ein einzelner Bereich im multidimensionalen Raum einer konkreten, biologisch eindeutig definierbaren Population zuordnen läßt. Bei Konstanthaltung der Präparier- und Meßbedingungen ist z. B. auch ein direkter Vergleich von 2-Parameter-korrelierten Punktdiagrammen möglich. Auch auf eine Kalibrierung der Fluoreszenzintensität kann bei der Messung in einem Ansatz ggf. verzichtet werden, da Signalintensitäten (Aktivierungen etc.) an verschiedenen Zellpopulationen direkt miteinander verglichen werden können. So the primary goal of the method is to have as many different characteristics and Functional states of heterogeneous cell systems in a measurement side by side (i.e. in the measuring range from 1 to 1024 measuring channels) and thus make it directly comparable. First of all also basically regardless of whether a single area in the multidimensional space is one can be assigned to a specific, biologically clearly definable population. If the Preparation and measuring conditions is e.g. B. also a direct comparison of 2-parameter correlated Dot charts possible. A calibration of the fluorescence intensity can also be used during the measurement may be dispensed with in one approach, since signal intensities (activations etc.) at different Cell populations can be compared directly.  

Zu berücksichtigen ist allerdings, daß besonders bei der dynamischen Färbung durch Aktivierung / Veränderung der Zellen auch Populationsmarker in ihrer Intensität verändert werden können, so daß die Wiederfindung bestimmmter Subpopulationen im Vergleich mit der statischen Färbung erschwert sein kann.However, it must be taken into account that especially in the case of dynamic coloring through activation / Changing the cells can also change the intensity of population markers so that the Recovery of certain subpopulations in comparison with static coloring may be more difficult can.

Methodische Einzelheiten am Beispiel des humanen VollblutesMethodical details using the example of whole human blood

Mit Heparin antikoaguliertes Vollblut wird 2 : 1 mit RPMI-Medium ohne weitere Zusätze verdünnt. Durch den hierbei noch relativ hohen Zellanteil ergibt sich auch bei Vollblutmaterial mit niedrigen Zellzahlen und Messung von anteilig gering vertretenen Zellpopulationen wie z. B. Monozyten eine am Kulturende noch gute Zellausbeute zur Messung in der Durchflußzytometrie. Der geringere Medium-Anteil hat sich für die Vollblutkultur mit Kulturzeiten bis mindestens 24 h als ausreichend erwiesen.Whole blood anticoagulated with heparin is diluted 2: 1 with RPMI medium without further additives. By the still relatively high proportion of cells here also results from whole blood material with low cell counts and measurement of proportionately low represented cell populations such as B. monocytes at the end of culture still good cell yield for measurement in flow cytometry. The lower medium share has proven to be sufficient for whole blood culture with culture times of at least 24 h.

Die Vollblutkulturen werden in sterilen, üblichen Durchflußzytometer-Röhrchen mit lose aufliegendem Deckel bei 37°C inkubiert. Bei kürzerer Kulturzeit (3-6 h) können Polystyrol-Röhrchen verwendet werden, bei längerer Kulturzeit bzw. mehrfacher Probenentnahme aus der gleichen Stammkultur (Kinetische Messungen) sind Polypropylen-Röhrchen vorzuziehen, um Zelladhärenz- und -aktivierungsphänomene durch die Plastikoberfläche zu reduzieren.The whole blood cultures are in sterile, customary flow cytometer tubes with loosely attached Incubated lid at 37 ° C. In the case of a shorter culture time (3-6 h), polystyrene tubes can be used with longer culture times or multiple sampling from the same stock culture (Kinetic measurements) are preferable to polypropylene tubes for cell adherence and to reduce activation phenomena through the plastic surface.

Die in der Zellkultur eingesetzten fluoreszenzmarkierten Komponenten sind grundsätzlich auch in Einzelansätzen und Einzelfärbungen sowie im Vergleich mit den entsprechenden unmarkierten Komponenten (Stabiliät, Bindungsverhalten, biologische Effekte etc.) hin zu testen.The fluorescence-labeled components used in cell culture are basically also in Individual approaches and individual staining as well as in comparison with the corresponding unmarked Components (stability, binding behavior, biological effects etc.) to be tested.

Die Zellkulturdauer richtet sich nach den für Zellreaktionen üblichen Zeiten (Stunden bis Tage). Auch hierbei sollte eine Zeitdauer gewählt werden, bei der möglichst vielfältige Reaktionen noch in einer Messung nebeneinander erfasst werden können (z. B. Zeitdauer von 8-9 Stunden zur gleichzeitigen Messung von frühen pro-inflammatorischen und späteren anti-inflammatorischen Reaktionen).The cell culture duration depends on the times (hours to days) customary for cell reactions. Also Here, a period should be selected in which the most varied of reactions are possible in one Measurement can be recorded side by side (e.g. duration of 8-9 hours for simultaneous Measurement of early pro-inflammatory and later anti-inflammatory reactions).

Nach Kulturende werden die Zellen durch Abkühlung auf Eis, Schütteln und Zugabe von kaltem EDTA wieder gut in Suspension gebracht und nach üblichen Protokollen für die Oberflächenfärbung und/oder intrazelluläre Färbung präpariert. Bei der Präparation von Vollblut sollte bei intrazellulärer Färbung der Permeabilisierungsschritt auch gleichzeitig eine ausreichende Lyse der Erythrozyten bewirken, so daß keine zusätzlichen Lysierungsschritte erforderlich sind. In der gesamten Färbepräparation sollten nur 2 bis 3 Waschschritte sein, um Zellverluste zu vermeiden.After the end of the culture, the cells are cooled on ice, shaken and cold EDTA added brought back into suspension well and according to usual protocols for surface coloring and / or prepared intracellular staining. When preparing whole blood, the intracellular staining of the Permeabilization step also cause sufficient lysis of the erythrocytes, so that no additional lysis steps are required. In the entire staining preparation, only 2 up to 3 washing steps to avoid cell loss.

Es sollte ein Lyse-/Permeablisierungsverfahren gewählt werden, das eine gute Abgrenzung der Hauptpopulationen bereits im Vorwärts-Seitswärtsstreulicht erlaubt, bei Leukozyten im Vollblut sollten besonders die Monozyten gut von Lymphozyten und Granulozyten abgrenzbar sein, um nicht noch für die Hauptpopulationsabgrenzung zusätzliche Fluoreszenzmarker zu benötigen.A lysis / permeabilization process should be chosen which clearly delimits the Main populations already allowed in forward-sideways scattered light, with leukocytes in whole blood should especially the monocytes can be well delineated from lymphocytes and granulocytes, so as not yet for that Main population demarcation to require additional fluorescent markers.

Zu der in der Durchflußztometrie / Scanning Zytometrie üblichen Oberflächenfärbung sowie der intrazellulären/cytoplasmatischen Färbung nach Permeabilisierung von Zellen kommt somit eine dritte Art der "dynamischen" Färbung" hinzu, die gleichzeitig Aspekte von Markierung, Bindungsverhalten sowie biologischer Reaktion wie z. B. Aktivierung an einer oder mehreren Zellpopulationen sicht- und meßbar macht.To the surface staining customary in flow cytometry / scanning cytometry and the intracellular / cytoplasmic staining after permeabilization of cells thus comes a third Type of "dynamic" coloring, which also includes aspects of marking, binding behavior  as well as biological reaction such. B. Activation on one or more cell populations makes measurable.

Handelt es sich bei den eingesetzten Komponenten um einen Antikörper ergeben sich durch die dynamischen Färbung gleichzeitig folgende 3 Aspekte:
If the components used are an antibody, the following three aspects result from the dynamic staining:

  • 1. 1.) Die Antikörper markieren über Bindung an ihr spezifisches Antigen wie bei der gewöhnlichen Oberflächenfärbung eine entsprechende Zellpopulation (z. B. CD3+-Zellen → T-Zellen).1. 1.) The antibodies mark by binding to their specific antigen as in the usual Surface staining is a corresponding cell population (e.g. CD3 + cells → T cells).
  • 2. 2.) Die Fluoreszenzintensität zeigt die entsprechende Expression auf einer oder mehreren Zellsubpopulationen. Da die Antikörper dynamisch eingesetzt wurden, zeigt sich der Zustand gegen Ende der Zellkulturphase, d. h. mögliche, durch die Bindung bzw. Stimulation selbst bedingte Herauf- oder Herunterregulierung der Zielmoleküle bzw. Rezeptoren gehen in die Fluoreszenzintensität mit ein.2. 2.) The fluorescence intensity shows the corresponding expression on one or more Cell subpopulations. Since the antibodies were used dynamically, the condition shows up against End of cell culture phase, d. H. possible uplift caused by the binding or stimulation itself or down-regulation of the target molecules or receptors is included in the fluorescence intensity.
  • 3. 3.) An den so markierten Zellpopulationen können durch Gegenfärbung entsprechende biologische Reaktionen (Aktivierungsmarker, Zytokine) nachgewiesen werden.3. 3.) Appropriate biological can be counter-stained on the cell populations marked in this way Reactions (activation markers, cytokines) can be detected.

Als Kontrolle zu jeder dynamischen Färbung wird jeweils die analoge Oberflächenfärbung durchgeführt, d. h. Zugabe aller fluoreszenmarkierten Antikörper bzw. Komponenten wie gewöhnlich erst nach Zellkulturende. Durch fluoreszenzmarkierte Isotypkontrollen im dynamischen bzw. üblichen Einsatz können vorab auch unspezifische Reaktionen kontrolliert werden. Insgesamt können mit dem neuen Verfahren auch bei sonst noch wenig charakterisierten Komponenten, Substanzen, Antikörpern oder Mikroorganismen rasch in einem Ansatz und der zugehörigen Kontrolle das Bindungsverhalten an heterogenen Zellpopulationen und gleichzeitig direkte und indirekte biologische Effekte an den bindenden oder anderen Zellpopulationen dargestellt werden.As a control for each dynamic coloring, the analog surface coloring is carried out, d. H. Add all fluorescently labeled antibodies or components as usual after End of cell culture. Through fluorescence-labeled isotype controls in dynamic or normal use non-specific reactions can also be checked in advance. Overall, with the new Process also for otherwise poorly characterized components, substances, antibodies or Microorganisms quickly determine the binding behavior in one batch and the associated control heterogeneous cell populations and at the same time direct and indirect biological effects on the binding or other cell populations are shown.

Durch zeitperiodenweise Entnahme von Teilmaterial aus der gleichen dynamisch gefärbten Zellkultur bzw. Kontrollansatz und übliche Färbung der anderen Parameter können dynamische Effekte am Zellsystem auch noch kinetisch dargestellt werden.Through periodic removal of partial material from the same dynamically colored cell culture or control approach and usual coloring of the other parameters can dynamic effects on Cell system can also be represented kinetically.

Durch Kombination der dynamischen Färbung der Zellen (Abkürzung: st) mit den beiden üblichen Verfahren der "statischen" membranbezogenen Färbung (Abkürzung: m) sowie der cytoplasmatischen Färbung (Abkürzung: cy) ergibt sich somit eine Vielzahl weiterer Zellpopulationschrakterisierungen.By combining the dynamic staining of the cells (abbreviation: st) with the two usual ones Process of "static" membrane-related staining (abbreviation: m) and cytoplasmic Staining (abbreviation: cy) results in a large number of further cell population violations.

Erklärung an einem BeispielExplanation using an example

  • a) Herkömmliche Methodik: mCD14+cyTNFα+cyIL10-: Zellpopulation, die durch Auftreten von CD14 (m = membranständig) an der Zelloberfläche sowie cytoplasmatischem Nachweis (cy = cytoplasmatisch) von Tumor-Nekrose-Faktor-α, nicht aber von IL-10 gekennzeichnet ist. Da Zytokine wie TNF-α und IL-10 in ruhenden Zellen praktisch nicht nachweisbar sind, wird diese Zellpopulation erst nach Stimulation mit einem Aktivator wie z. B. Lipopolysaccharid (LPS) darstellbar und entspricht biologisch pro­ inflammatorischen Monozyten. LPS wird hierbei unmarkiert der Vollblutkultur zur Stimulation beigefügt, und prinzipiell kann mit der Markierung und Messung der Population nicht unterschieden werden, ob der Stimulator direkt an der betreffenden Zellpopulation gebunden hat oder eine indirekte Aktivierung über Vermittlung durch andere Zellpopulationen erfolgte.a) Conventional methodology: mCD14 + cyTNFα + cyIL10 - : cell population that is caused by the appearance of CD14 (m = membrane-bound) on the cell surface and cytoplasmic detection (cy = cytoplasmic) of tumor necrosis factor-α, but not of IL-10 is marked. Since cytokines such as TNF-α and IL-10 are practically undetectable in resting cells, this cell population is only after stimulation with an activator such. B. Lipopolysaccharide (LPS) representable and corresponds biologically pro inflammatory monocytes. LPS is added unlabeled to the whole blood culture for stimulation, and in principle it is not possible to distinguish with the labeling and measurement of the population whether the stimulator has bound directly to the cell population in question or has been indirectly activated via mediation by other cell populations.
  • b) Dynamische Färbung mit markiertem Ligand: stLPS+cyTNFα+cylL10-: Diese Zellpopulation ist durch Bindung von LPS an der Zellmembran über die Zellkulturdauer hinaus (st = stimulatorisch) gekennzeichnet, bei gleichzeitigen intrazellulärem Nachweis von TNF-α, nicht aber IL10. Hierbei wird der direkte Nachweis und Bezug zum Liganden deutlich.b) Dynamic staining with labeled ligand: stLPS + cyTNFα + cylL10 - : This cell population is characterized by the binding of LPS to the cell membrane beyond the cell culture period (st = stimulatory), with simultaneous intracellular detection of TNF-α, but not IL10. Here the direct detection and reference to the ligand becomes clear.
  • c) Dynamische Färbung mit markiertem Antikörper: stCD14+cyTNFα+cylL10-: Diese Zellpopulation ist durch das Auftreten von CD14, einem Marker besonders für Monozyten, gekennzeichnet. Da der markierte Antikörper dynamisch (st = stimulatorisch) eingesetzt wurde und über das CD-14 Molekül als LPS-Rezeptor gleichzeitig biologische Effekte auslösbar sind, werden hierbei statische und dynamische Eigenschaften der Zielzellpopulation gleichzeitig komplex erfasst.c) Dynamic staining with labeled antibody: stCD14 + cyTNFα + cylL10 - : This cell population is characterized by the appearance of CD14, a marker especially for monocytes. Since the labeled antibody was used dynamically (st = stimulatory) and at the same time biological effects can be triggered via the CD-14 molecule as LPS receptor, static and dynamic properties of the target cell population are recorded in a complex manner.
Databasing, Datenanalyse und DatenvergleichDatabasing, data analysis and data comparison

Die Messung der multiparametrisch gefärbter Zellen erfolgt am Durchflußzytometer bzw. mittels Scanning Zytometrie, wobei die Daten in Listmode-Dateien (Standard-Format FCS) binär gespeichert werden. Da die bei der Multidimensionalen Dynamischen Cytofluorophorese anfallenden Daten sehr komplex sein können und auch auf komplexer Ebene analysier- und vergleichbar sein sollen, erfordert auch die softwarebedingte Verarbeitung besondere Anforderungen. Die binären Daten werden in sog. BLOB- Feldern (Binary Large Objects) einer Datenbank eingelesen und gespeichert. Jeder Datensatz der Datenbank entspricht einer Meßprobe und beinhaltet in Text- und numerischen Feldern zusätzliche Informationen zu der Probe (Material, Färbungen, Versuchsbedingungen, Geräteeinstellungen). Die Betrachtung der Daten erfolgt zum einen in einem zoombaren Multidatensatz-Gitter, wobei die Textdaten als Text und die Listmodedaten in üblichen Histogramm- und Dotplots dargestellt werden. Die graphischen Darstellungen sind hierbei jedoch nicht als eigentliche Bilder gespeichert, sondern werden erst bei Datenzugriff aus den binären Daten als skalierbare Vektorgraphiken (Windows-Metafile-Format) generiert. Mehrdimensionale Cursor/Diskriminatorwerte zur Abgrenzung von bestimmten Zonen bzw. Subpopulationen werden ebenso separat gespeichert und bei Zugriff auf jeden Datensatz graphisch rekonstruiert.The multiparametrically colored cells are measured on the flow cytometer or by means of scanning Cytometry, with the data being stored in binary form in list mode files (standard format FCS). Because the data from multidimensional dynamic cytofluorophoresis is very complex can and should also be analyzable and comparable on a complex level also requires software-related processing special requirements. The binary data are stored in so-called BLOB Fields (binary large objects) of a database read in and saved. Every record of the The database corresponds to a test sample and contains additional text and numerical fields Information about the sample (material, color, test conditions, device settings). The The data is viewed on the one hand in a zoomable multi-data set grid, the text data are displayed as text and the list mode data in usual histogram and dot plots. The However, graphic representations are not saved as actual images, but are instead only when data is accessed from the binary data as scalable vector graphics (Windows metafile format) generated. Multi-dimensional cursors / discriminator values to delimit certain zones or Subpopulations are also stored separately and graphically when accessing each data set reconstructed.

Da multidimensionale Daten grundsätzlich nicht mehr in einem Diagramm allein umfassend dargestellt werden können, müssen jeweils mehrere Histogramme bzw. Dotplots dargestellt werden. Bei einer konkreten Durchführung der Multidimensionalen Dynamischen Cytofluorophorese ist deren Zahl und Art dann auch genau festzulegen.Since multidimensional data is fundamentally no longer represented in a diagram alone multiple histograms or dot plots must be displayed. At a The specific implementation of multidimensional dynamic cytofluorophoresis is its number and type then also specify exactly.

Bei der in Datenbankprogrammen üblichen Multidatensatzdarstellung als Tabellengitter werden die Datenfelder als Spalten und die Datensätze als Zellen dargestellt. Die Software zu dem neuen Verfahren erlaubt zusätzlich einen Orientierungswechsel des Tabellengitters (Swapping Grid), d. h. die den Proben entsprechenden Datensätze werden als Spalten und die Felder als Zellen dargestellt. Weiterhin können besonders in der spaltenweisen Darstellung der Datensätze durch die hierarchisch aufgebaute Felderstruktur (Darstellung als Baumdiagramm/Treeview) gezielt bestimmte Diagrammdarstellungen und sonstige Informationen ein- oder ausgeblendet werden und dadurch den direkten bzw. visuellen Datenvergleich erleichtern.In the multi-data record representation as a table grid, which is common in database programs, the Data fields are shown as columns and the data records as cells. The software for the new process additionally allows a change of orientation of the table grid (swapping grid), d. H. the the samples corresponding data records are shown as columns and the fields as cells. Can continue especially in the columnar representation of the data records by the hierarchical structure  Field structure (representation as a tree diagram / treeview) specific diagram representations and other information can be shown or hidden and thereby direct or visual Facilitate data comparison.

Üblicherweise werden bei der Datenanalyse in der Durchflußzytometrie gezielt bestimmte Zellpopulationen abgegrenzt, durch statistische Parameter beschrieben (Prozentanteil, Mittelwert und Median von Parametern, etc.) und
über die Speicherung der Listmode-Daten in der Datenbank bleibt das komplexe Verteilungsmuster der Zellparameter über die je 1024 Meßkanäle in n-Dimensionen erhalten und kann auf komplexerer Ebene zwischen den Datensätzen, die den Einzelproben entsprechen, verglichen werden.
When analyzing data in flow cytometry, specific cell populations are usually deliberately delimited, described by statistical parameters (percentage, mean and median of parameters, etc.) and
By storing the listmode data in the database, the complex distribution pattern of the cell parameters is preserved over the 1024 measurement channels in n-dimensions and can be compared on a more complex level between the data records that correspond to the individual samples.

Neben den üblichen Überlagerungshistogrammen sind Überlagerungs- und Subtraktionsdotplots darstellbar, die einen direkten Vergleich der Cytofluorophoreogrammen auch auf komplexerer Ebene ermöglichen.In addition to the usual overlay histograms are overlay and subtraction dot plots representable, which is a direct comparison of the cytofluorophoreograms even at a more complex level enable.

In üblichen Density-Plots werden Häufigkeiten von Zellen in zwei-parametrischen Dotplots farbcodiert dargestellt. Bei der Software in dem neuen Verfahren kann die Farbcodierung zusätzlich zur Darstellung von Aktivierung und funktionellen Markern genutzt werden. Bei den für die Multidimensionale Dynamische Cytofluorophorese typischen dynamischen Färbungen entsteht hierdurch ein noch mehr charakteristisches Abbild der komplexen Datenmuster.In conventional density plots, frequencies of cells are color-coded in two-parametric dot plots shown. With the software in the new process, the color coding can also be used for display of activation and functional markers. For those for the multidimensional Dynamic cytofluorophoresis typical of dynamic staining is thereby created even more characteristic image of the complex data pattern.

Die Speicherung sämtlicher Meßdaten in einer Datenbank bietet noch weitere Möglichkeiten und Vorteile. Neben üblichen Suchmöglichkeiten in Datenbanken nach bestimmten Zeichen und Zeichenketten, d. h. nach alphanumerischer Information (ASCII), soll die neue Software zusätzlich nach zytometrischen Datenmustern, wie sie insbesondere bei der Multidimensionale Dynamische Cytofluorophorese zu erwarten sind, suchen bzw. Vergleich auf unterschiedlichen Ebenen durchführen. In Analogie zu komplexen Textabfragen aus Datenbanken mittels eigenen Abfragesprachen (SQL) kann hierbei ausgehend von biologische-medizinische Fragestellungen ein Bereich eines Cytofluorophoreogrammes oder Verknüpfungen davon wie ein Filter über Datensätze gesetzt werden und so bestimmte Zellereignisse bzw. Parameterkonstellationen über die Datenbank hin herausgefiltert, verglichen und ausgewertet werden.The storage of all measurement data in a database offers further possibilities and advantages. In addition to the usual search options in databases for specific characters and strings, i.e. H. According to alphanumeric information (ASCII), the new software is also supposed to be based on cytometric Data patterns such as those used in multidimensional dynamic cytofluorophoresis are expected, search or compare at different levels. In analogy to Complex text queries from databases using their own query languages (SQL) can be used here based on biological-medical questions, an area of a cytofluorophoreogram or links thereof like a filter over data records and so certain Filtered, compared and comparing cell events and parameter constellations via the database be evaluated.

Somit ist der stufenweise Ausbau zu einem Expertensystem möglich.This enables the gradual expansion to an expert system.

AUSFÜHRUNGSBEISPIELEEXAMPLES

Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele beziehen sich auf durchflußzytometrische Messungen mit 3 Fluoreszenzfarben im menschlichen Vollblut. The following exemplary embodiments relate to flow cytometric measurements with 3 Fluorescent colors in whole human blood.  

Fig. 1: Multidimensionale statische Cytoflurophorese Fig. 1: Multidimensional static cytoflurophoresis

Dieses Beispiel soll ausgehend von den Färbungen für die klassischen Leukozytensubpopulationen im menschlichen Vollblut (Immunstatus) die Einbeziehung von mehr Parametern als verfügbaren Farben demonstrieren. Bei der üblichen Bestimmung werden einzelne Subpopulationen in mehreren Färbungen und Messungen durchflußzytometrisch bestimmt, um jeweils klar gegeneinander abgrenzbar zu sein (z. B. CD3/CD19: T/B-Zellen, CD3/CD4/CD8: T4/T8-Zellen, CD3/CD16-56: T/NK-Zellen). Bei der Multidimensionalen Cytofluorophorese werden alle sonst einzeln auf verschiedenen Farben eingesetzten Marker gleichzeitig in einem Ansatz eingesetzt. Da möglichst viele Parameter und somit mehr als zur Verfügung stehende Farben miteinbezogen werden sollen, werden Antikörpermischungen eingesetzt. Bei der Zusammensetzung der Antikörpermischungen können bekannte Expressionsunterschiede einzelner Parameter berücksichtigt werden, um möglichst unterschiedliche Überlagerungen der Signalintensitäten zu erreichen, die Auswahl kann aber auch rein empirisch erfolgen. Hauptziel dabei ist es, eine möglichst breite und vielfältige Verteilung der Zellen im n-dimensionalen Raum zu erzielen, so daß sich ein komplexes, aber typisches durch nahezu beliebig viele Parameter charakterisiertes Darstellungsbild ergibt. Dabei ist es grundsätzlich auch nicht erforderlich, daß bestimmten Bereichen und/oder Punktwolkenverdichtungen im Cytofluorogramm definierten Zellpopulationen (T-Zellen, B-Zellen etc.) entsprechen. Für jede bestimmte Antikörpermischung müssen Norm-Cytofluorophoreogramme z. B. an gesunden Normalprobanden erstellt werden. Im Vergleich mit diesen können dann die zu untersuchenden Proben z. B. durch Diagramm-übergreifende Diskriminatoren, wie sie in den Figuren dargestellt sind, zonenweise analysiert werden oder es können auch bis herunter zur Meßkanalauflösung von derzeit 1024 punktweise Überlagerungs- und/oder Differenzplots (Punktweise Subtraktion) errechnet und analysiert werden. Falls sich im screeningartigen Vergleich bei bestimmten Proben auffällige Bereiche oder Zonen ergeben, kann sekundär versucht werden, in diesen bestimmte Zellpopulationen zu identifizieren bzw. durch übliche Einzelfärbungen zu bestätigen.This example is based on the stains for the classic leukocyte subpopulations in the human whole blood (immune status) including more parameters than available colors demonstrate. In the usual determination, individual subpopulations are in several colors and measurements determined by flow cytometry in order to be clearly distinguishable from each other (e.g. CD3 / CD19: T / B cells, CD3 / CD4 / CD8: T4 / T8 cells, CD3 / CD16-56: T / NK cells). In the Multidimensional cytofluorophoresis are all used individually on different colors Markers used simultaneously in one approach. Since as many parameters as possible and thus more than Available colors are to be included, antibody mixtures are used. At The composition of the antibody mixtures can have known expression differences in individual Parameters are taken into account in order to differentiate the signal intensities as much as possible to achieve, but the selection can also be made purely empirically. The main goal is to get one if possible to achieve a wide and varied distribution of the cells in the n-dimensional space, so that a complex, but typical display image characterized by almost any number of parameters results. In principle, it is also not necessary for certain areas and / or Point cloud densifications in the cell populations defined in the cytofluorogram (T cells, B cells etc.) correspond. For each specific antibody mixture, standard cytofluorophoreograms e.g. B. on healthy normal subjects are created. In comparison with these you can then investigating samples e.g. B. by cross-diagram discriminators, as in the figures are shown, analyzed zone by zone or it can also down to the measurement channel resolution from currently 1024 point-by-point overlay and / or difference plots (point-by-point subtraction) and be analyzed. If the screening-like comparison shows that there are certain samples Areas or zones can be tried, secondary to certain cell populations in these identify or confirm by usual individual staining.

Fig. 2: CD14-Dynamisches Cytofluorophoreogramm der Monozytenregion Figure 2: CD14 dynamic cytofluorophoreogram of the monocyte region

Jede Spalte zeigt die Messung einer Probe in verschiedenen 2-dimensionalen Dotplot-Darstellungen. Im jeweils obersten Diagramm (Teilfiguren 2.1, 2.5., 2.9) sind in der typischen Vorwärts- gegen Seitwärtsdarstellung der Leukozyten die 3 Hauptpopulationen (Lymphozyten, Monozyten, Granulozyten) durch Regionen eingegrenzt. Die jeweils rechts unten liegende Region R2 entspricht den Monozyten und alle weiteren Diagramme stellen nur Zellen aus diesem Bereich dar (Gate auf R2). Die Probe der linken Spalte dient als Kontrolle, wobei der CD14-Antikörper in der üblichen Oberflächenfärbung eingesetzt wurde. Die Teilfiguren 2.2. bis 2.4. zeigen nahezu keinen Zytokinnachweis von TNF-αlpha und IL-10 in den Zelten, an die der CD14-Antikörper gebunden hat. In den Proben der 2. und 3. Spalte wurde der gleiche CD14-Antikörper in dynamsicher Färbung eingesetzt, d. h. bereits Zugabe zur Vollblutkultur über 8 h. Teilfiguren 2.6., 2.7., 2.10. und 2.11. zeigen den deutlichen Nachweis spezifischer pro- und anti­ inflammatorischer Zytokine TNF-alpha, IL-10, IL-6 und IL-12 in direkter Abhängigkeit zur Bindung des CD14-Antikörpers an die Zellen der Monozytenregion. Die Teilfiguren 2.4, 2.8 und 2.12 zeigen jeweils die Darstellung der parallel gegeneinander gemessenen Zytokine.Each column shows the measurement of a sample in different 2-dimensional dot plot representations. in the the top diagram (sub-figures 2.1, 2.5., 2.9) are in the typical forward versus Sideways display of the leukocytes the 3 main populations (lymphocytes, monocytes, granulocytes) limited by regions. The region R2 at the bottom right corresponds to the monocytes and all other diagrams only show cells from this area (gate on R2). The sample of the left Gap serves as a control, with the CD14 antibody used in the usual surface staining has been. The sub-figures 2.2. until 2.4. show almost no cytokine detection of TNF-αlpha and IL-10 in the tents to which the CD14 antibody has bound. In the samples of the 2nd and 3rd column the same CD14 antibodies used in dynamic staining, d. H. already added to whole blood culture 8 h. Sub-figures 2.6., 2.7., 2.10. and 2.11. show the clear evidence of specific pro- and anti inflammatory cytokines TNF-alpha, IL-10, IL-6 and IL-12 in direct dependence on the binding of the  CD14 antibody to the cells of the monocyte region. The sub-figures 2.4, 2.8 and 2.12 each show the Representation of the cytokines measured in parallel against each other.

Als weitere Ausgestaltungen dieses Ausführungsbeispiels sind Kombinationen verschiedener Zytokinfärbungen auf der gleichen Farbe denkbar.Combinations of different ones are further developments of this exemplary embodiment Cytokine staining possible on the same color.

Einerseits zeigt das pro-inflammtorische Zytokin TNF-alpha eine deutlich höhere Expression als das anti­ inflammatorische Zytokin IL-10. Werden beide Zytokine auf der gleichen Farbe dargestellt, ordnen sich Zellen mit überwiegender TNF-alpha-Expression (pro-inflammatorisch) mehr im oberen Bereich, Zellen mit überwiegender IL-10-Expression mehr im mittleren Bereich, und Zellen nur geringer Expression beider Zytokine im unteren Bereich an. Dadurch kann bereits mit einer Farbe eine grobe Aufteilung von Zellpopulationen nach funktionellen Kriterien erfolgen.On the one hand, the pro-inflammatory cytokine TNF-alpha shows a significantly higher expression than the anti inflammatory cytokine IL-10. If both cytokines are displayed in the same color, arrange themselves Cells with predominant TNF-alpha expression (pro-inflammatory) more in the upper area, cells with predominant IL-10 expression more in the middle range, and cells with little expression of both cytokines in the lower area. As a result, a rough division of Cell populations take place according to functional criteria.

Andererseits können funktionell ähnliche Zytokine mit der gleichen Farbe dargestellt werden (z. B. typische pro-inflamatorische Zytokine wie TNF-alpha und IL-6) und dadurch auf einer Farbe die Nachweisbarkeit, Intensität und damit Trennschärfe gegenüber anderen Zellpopulationen im Cytofluorophoreogramm erhöht werden.On the other hand, functionally similar cytokines can be displayed with the same color (e.g. typical pro-inflammatory cytokines such as TNF-alpha and IL-6) and thereby the on one color Detectability, intensity and thus discriminatory power compared to other cell populations in the Cytofluorophoreogram increased.

Fig. 3 und 4: Dynamisches Cytofluoreogramm von Pokeweed-Mitogen in der Lymphozytenregion FIGS. 3 and 4: Dynamic Cytofluoreogramm of pokeweed mitogen in the lymphocyte region

Pokeweed-Mitogen (PWM) ist eine klassische, zur Lymphozytenstimulierung verwendete Substanz. Über fluoreszenz-markiertes PWM können entsprechende Rezeptoren an Zellpopulationen dargestellt werden. Fig. 3 zeigt ein dynamisches Cytofluorophoreogramm von PWM an den gesamten Leukozyten des menschlichen Vollblutes, Fig. 4 unter Gating der Lymphozytenregion (Teilfigur 4.1.). Neben der dynamischen Färbung mit PWM mit der ersten Fluoreszenzfarbe (st-PWM-FL1, Teilfiguren 3.4., 3.5., 3.6. und 4.2., 4.5., 4.6., 4.7.) erfolgte zum Reaktionsnachweis eine membranbezogene Färbung des Aktivierungsmarkers CD69 mit der zweiten Fluoreszenzfarbe (m-CD69-FL2, Teilfiguren 3.2., 3.6., 3.8. und 4.3., 4.6., 4.8.). Durch gleichfarbig markierte Antikörpermischung gegen überwiegend sehr stark exprimiertes CD8, mittelstark exprimiertes CD4 sowie durch Verdünnung in Untersättigung schwach markiertes CD19 (durch * gekennzeichnet) wird gleichzeitig auf der dritten Fluoreszenzfarbe eine Aufteilung in 4-5 wesentliche Subpopulationsbereiche erreicht, welche weitgehend den wesentlichen Lymphozytensubpopulationen T8-Zellen, T4-Zellen, B-Zellen und NK-Zellen zugeordnet werden können. Durch digrammübergreifende Diskriminatorensetzung wird in Fig. 3 eine Aufteilung in bis zu 49, in Fig. 4 in bis zu 40 verschiedene 2-dimensionale Bereiche, in denen sich die Zellen anordnen, dargestellt.Pokeweed Mitogen (PWM) is a classic substance used to stimulate lymphocytes. Corresponding receptors on cell populations can be displayed using fluorescence-labeled PWM. FIG. 3 shows a dynamic cytofluorophoreogram of PWM on the whole leukocytes of human whole blood, FIG. 4 with gating the lymphocyte region (sub-figure 4.1.). In addition to dynamic staining with PWM with the first fluorescent color (st-PWM-FL1, partial figures 3.4., 3.5., 3.6. And 4.2., 4.5., 4.6., 4.7.), A membrane-related staining of the activation marker CD69 with the second fluorescent color (m-CD69-FL2, sub-figures 3.2., 3.6., 3.8. and 4.3., 4.6., 4.8.). By means of the same-colored antibody mixture against predominantly very strongly expressed CD8, moderately strongly expressed CD4 and by dilution in under-saturation weakly marked CD19 (marked with *), a division into 4-5 essential subpopulation areas is achieved on the third fluorescent color, which largely corresponds to the essential lymphocyte subpopulations T8- Cells, T4 cells, B cells and NK cells can be assigned. By digrammübergreifende Diskriminatorensetzung a division in up to 49, in Figure 4 is in Fig. 3. In up to 40 different 2-dimensional areas in which the cells are arranged is shown.

Fig. 5: Dynamische CD3-Färbung und Effekte auf T-Zellen und andere Leukozyten Fig. 5: Dynamic CD3 staining and effects on T cells and other leukocytes

Dieses Ausführungsbeispiel zeigt ein dynamisches Cytofluorophoreogramm aus dem T-Lymphozytenbereich mit einem CD3-Antikörper. Die erste und dritte Spalte der Fig. 5 zeigen Darstellungen der Kontrollen mit der üblicher membranbezogenen Färbung von CD3. In den Proben der 2. und 4. Spalte wurde der CD3-Antikörper dynamisch eingesetzt und Zellreaktionen über Oberflächenmarker (CD69) sowie intrazellulär (Interferon-gamma) gegengefärbt. Auf der dritten Farbe erfolgte eine Subpopulationsauftrennung wie im Beispiel von Fig. 3 und 4.This exemplary embodiment shows a dynamic cytofluorophoreogram from the T lymphocyte region with a CD3 antibody. The first and third columns of FIG. 5 show the controls with the usual membrane-related staining of CD3. In the samples of the 2nd and 4th column, the CD3 antibody was used dynamically and cell reactions were counterstained via surface markers (CD69) and intracellularly (interferon-gamma). A subpopulation separation was carried out on the third color as in the example of FIGS. 3 and 4.

Fig. 6: Kombinationen von dynamischen und statischen Färbungen am Beispiel der CD3-CD28- Kostimulation Fig. 6: Combinations of dynamic and static colorations using the example of CD3-CD28 costimulation

Wie zunehmende Untersuchungen zeigen, spielt das komplexe Zusammenwirken von zellulären und/oder molekularen Signalen in Zellsystemen, insbesondere dem Immunsystem, eine entscheidende Rolle und kann nicht allein aus den Einzeleffekten von Einzelkomponenten abgeleitet werden. Das Ausführungsbeispiel in Fig. 6 stellt am Beispiel einer Stimulation mit Antikörpern gegen CD3 sowie CD28 die schrittweise Darstellung der Kostimulation in der Multidimensionalen Dynamischen Cytofluorophorese dar. Bei allen 4 Ansätzen wurde ein Gate auf die Lymphozytenregion gesetzt und liegt bei allen Diagrammen zugrunde. In den Diagrammen der ersten Spalte (Teilfiguren 6.1., 6.2., 6.3.) ist der Ansatz dargestellt, bei dem sowohl der CD3- als auch der CD28-Antikörper in üblicher Weise zur membranbezogenen Färbung eingesetzt wurde. In der Probe der 2. Spalte (Teilfiguren 6.4., 6.5., 6.6.) wurde nur der CD28-Antikörper, in der Probe der 3. Spalte (Teilfiguren 6.7., 6.8., 6.9.) nur der CD3- Antikörper in dynamischer Färbung eingesetzt. Die 4. Spalte (Teilfiguren 6.10., 6.11., 6.12.) zeigt die Probe, in der sowohl der CD28- als auch der CD3-Antikörper dynamisch eingesetzt wurde (Kostimulation). Wie aus den Teilfiguren 6.1., 6.2., 6.5., 6.7., und 6.10., 6.11. hervorgeht, lassen sich gleichzeitig über die Bindung der Antikörper entsprechende Zellsubpopulationen darstellen, die Expressionsstärke als auch Aktivierung (CD69-Expression) in Abhängigkeit von der Antikörperbindung beurteilen und vergleichen.As increasing studies show, the complex interaction of cellular and / or molecular signals in cell systems, especially the immune system, plays a decisive role and cannot be derived from the individual effects of individual components alone. The exemplary embodiment in FIG. 6 uses the example of a stimulation with antibodies against CD3 and CD28 to represent the step-by-step representation of the costimulation in multidimensional dynamic cytofluorophoresis. In all 4 approaches, a gate was placed on the lymphocyte region and is the basis for all diagrams. The diagrams in the first column (sub-figures 6.1., 6.2., 6.3.) Show the approach in which both the CD3 and CD28 antibodies were used in the usual way for membrane-related staining. In the sample of the 2nd column (sub-figures 6.4., 6.5., 6.6.) Only the CD28 antibody was dynamic, in the sample of the 3rd column (sub-figures 6.7., 6.8., 6.9.) Only the CD3 antibody Coloring used. The fourth column (figures 6.10., 6.11., 6.12.) Shows the sample in which both the CD28 and CD3 antibodies were used dynamically (costimulation). As from the sub-figures 6.1., 6.2., 6.5., 6.7., And 6.10., 6.11. corresponding cell subpopulations can be displayed at the same time via the binding of the antibodies, and the expression strength and activation (CD69 expression) can be assessed and compared as a function of the antibody binding.

Fig. 7: Dynamische Darstellung des markierten Bakteriums E. coli an Leukozyten Fig. 7: Dynamic representation of the labeled bacterium E. coli on leukocytes

Fluoreszenz-markierte Bakterien werden üblicherweise zur Darstellung und Messung der Phagozytose von Leukozyten eingesetzt. Der Phagozytose-Prozeß stellt aber nur einen Teilvorgang in der Abwehrreaktion von Bakterien dar. In der Multidimensionalen Dynamischen Cytofluorophorese können weitere Reaktionen auf die Bakterien an Zellpopulationen, die mit den Bakterien in Wechselwirkung treten (Adhäsion und/oder Phagozytose), nachgewiesen werden (Aktivierung, Zytokinbildung). Aber auch indirekte, populationsübergreifende Reaktionen an Populationen, die nicht mit den markierten Bakterien assoziiert sind, werden durch die multiparametrische Messung erfasst (indirekte Aktivierung über Botenstoffe/Signale auf Zellsystemebene). Fig. 7 zeigt die dynamische Färbung mit fluoreszenzmarkierten E.coli-Bakterien, die eine deutliche Assoziation zu Monozyten und Granulozyten (Phagozytose; Teilfigur 7.6.) aufweisen. Bei der gleichzeitigen Messung des Aktivierungsmarkers CD69 findet sich jedoch auch eine deutliche Reaktion an Lymphozyten und Subpopulationen (Teilfigur 7.7; populationsübergreifende Reaktion, die nur durch Einbeziehung des gesamten Zellsystems im Zusammenhang darstellbar ist). Fluorescence-labeled bacteria are usually used to display and measure the phagocytosis of leukocytes. However, the phagocytosis process is only a partial process in the defense reaction of bacteria. In the multidimensional dynamic cytofluorophoresis, further reactions to the bacteria on cell populations that interact with the bacteria (adhesion and / or phagocytosis) can be detected (activation, Cytokine formation). However, indirect, cross-population reactions to populations that are not associated with the labeled bacteria are also recorded by the multiparametric measurement (indirect activation via messenger substances / signals at the cell system level). Fig. 7 shows the dynamic staining with fluorescent-labeled E. coli bacteria which a significant association to monocytes and granulocytes; comprise (phagocytosis partial figure 7.6.). When the activation marker CD69 is measured at the same time, however, there is also a clear reaction on lymphocytes and subpopulations (sub-figure 7.7; cross-population reaction, which can only be shown in context by including the entire cell system).

Weitere Anwendungsmöglichkeiten der Multidimensionalen Dynamischen CytoflurophoreseOther possible uses of multidimensional dynamic cytoflurophoresis

  • - Spezifische Zellfunktiontests mit Überprüfung spezifischer Aktivierungswege im heterogenen Zellsystem (Vollblut und andere Körperflüssigkeiten, Zellen aus Organen) und Einfluß auf das System durch bestimmte Substanzen (toxikologisch, pharmakologisch)- Specific cell function tests with verification of specific activation pathways in the heterogeneous Cell system (whole blood and other body fluids, cells from organs) and influence on it System through certain substances (toxicological, pharmacological)
  • - Gleichzeitige subpopulationsbezogene Bindungs- und Aktivierungsstudien von Substanzen und/oder Mikroorganismen und/oder Tumorzellen (Darstellung- und Messung von z. B. von Bakterien-Wirts- Wechselwirkungen, Cross-Talking-Reaktionen)- Simultaneous subpopulation-related binding and activation studies of substances and / or Microorganisms and / or tumor cells (imaging and measurement of e.g. bacterial host Interactions, cross-talking reactions)
  • - Dynamisch-funktionelles Clustering von Zellpopulationen- Dynamic-functional clustering of cell populations
  • - Rasche, material-, aufwand- und kostensparende Screeningmethoden von Arzneistoffen/­ Schadstoffen und trotzdem Miteinbeziehung umfassender, auch komplexer Wirkungsmuster- Rapid, material, effort and cost-saving screening methods of drugs / Pollutants and yet incorporating extensive, even complex, effects patterns
  • - Differentialdiagnostische und/oder differentialtherapeutische, insbesondere kombinierte zytometrische Tests, auch individuum- bzw. patientenbezogen- Differential diagnostic and / or differential therapeutic, especially combined cytometric tests, also individual or patient-related

Claims (10)

1. Verfahren, bei dem fluoreszenzmarkierte Komponenten (Moleküle, insbesondere Antikörper, Substanzen und Substanzgemische, Mikroorganismen oder Teile davon, Zellen oder Teile davon) mit einem Zellsystem zusammengebracht werden und in einem Ansatz, über ebenfalls fluoreszenzbedingte Marker Reaktionen an diesem Zellsystem oder an Subpopulationen nachgewiesen werden.1. Method in which fluorescence-labeled components (molecules, in particular antibodies, Substances and substance mixtures, microorganisms or parts thereof, cells or parts thereof) with be brought together in a cell system and in one approach, via likewise fluorescence-related marker reactions on this cell system or on subpopulations be detected. 2. Verfahren, bei dem durch Kombination mehrerer fluoreszenzmarkierter biologisch aktiver Komponenten und/oder Kombination mehrerer fluoreszenzbedingter reaktionsabhängiger Marker und/oder Kombination fluoreszenzbedingter Subpopulationsmarker, wobei aufgrund unterschiedlicher Signalintensitäten bestimmte Fluoreszenzfarben auch mehrfach benutzt werden können, eine umfassendere Darstellung und Messung auch komplexer Reaktionsmuster von Zellsystemen in direkter und indirekter Beziehung zu Einflußfaktoren erreicht werden kann (Multidimensionale Dynamische Cytofluorophorese).2. Method in which by combining several fluorescence-labeled biologically active Components and / or combination of several fluorescence-related reaction-dependent markers and / or combination of fluorescence-related subpopulation markers, whereby due to different Signal intensities of certain fluorescent colors can also be used several times, one comprehensive representation and measurement of even complex reaction patterns of cell systems in direct and indirect relationship to influencing factors can be achieved (multidimensional Dynamic cytofluorophoresis). 3. Software, mit der die zytometrischen Listmode-Daten aus Verfahren wie in 1 und 2 beschrieben, in einer Datenbank gespeichert werden, zusammen mit sämtlichen, die Zellpräparation und Messung charakterisierenden Daten, wobei bei Datenzugriff vektorgraphische Darstellungen erzeugt werden und durch kippbares Multidatensatz-Tabellengitter, hierarchisch ein- oder ausblendbare Felder, Einzeldatensatzdarstellung auch als Kreuztabelle der Paramter sowie mit diagrammübergreifenden Diskriminatorlinien Analyse und Vergleich der Daten auch auf komplexerer Ebene möglich ist.3. Software with which the cytometric listmode data from procedures as described in 1 and 2, in A database can be stored, along with all of the cell preparation and measurement characterizing data, vector graphics being generated when data is accessed and by tilting multi-data record table grid, hierarchically showing or hiding fields, Individual data record representation also as a crosstab of the parameters and with cross-diagram Discriminator lines analysis and comparison of data is also possible on a more complex level. 4. Software, wie unter 3 beschrieben, bei der zusätzlich die zytometrischen Daten nach bestimmten Bereichen, Parameterkonstellationen und komplexen Mustern gefiltert, verglichen und analysiert werden können.4. Software as described under 3, in which the cytometric data are additionally determined Areas, parameter constellations and complex patterns are filtered, compared and analyzed can be. 5. Verfahren wie unter 2 beschrieben, bei dem in einem Ansatz möglicherweise mit Erkrankungen assoziierten ätiologische Komponenten (Schadstoffe, Allergene, Mikroorganisme, Tumorzellen), die Erkrankung möglicherweise beeinflussende therapeutische Komponenten (Arzneistoffe, Mikroorganismen, Zellen) und ein Nachweis von möglicherweise resultierenden therpeutischen Effekten an einem Zellsystem erfolgt.5. Procedure as described under 2, in which one approach may involve diseases associated etiological components (pollutants, allergens, microorganisms, tumor cells) that Therapeutic components possibly influencing the disease (drugs, Microorganisms, cells) and evidence of possibly resulting therapeutic Effects on a cell system takes place. 6. Verfahren, wie unter 2 beschrieben, bei dem in einem Ansatz fluoreszenzmarkierte Bakterien/Pilze, zusammen mit oder ohne fluoreszenzmarkierte Substanzen, die in ihrer Wirkung gegen die Bakterien/Pilze gerichtet sind und/oder die Abwehrreaktion des Zellsystems beeinflussen, eingesetzt werden und über fluoreszenzbedingte Marker Reaktionen an den Bakterien und/oder am Zellsystem von Körperflüssigkeiten oder Organen gemessen werden. 6. The method as described under 2, in which fluorescence-labeled bacteria / fungi in one batch, together with or without fluorescence-labeled substances that act against the bacteria / fungi are directed and / or influence the defense response of the cell system and via fluorescence-related marker reactions on the bacteria and / or on the cell system of Body fluids or organs are measured.   7. Verfahren, wie unter 2 beschrieben, bei dem in einem Ansatz fluoreszenzmarkierte Viren oder Teile davon, zusammen mit oder ohne fluoreszenzmarkierte Substanzen, die in ihrer Wirkung gegen die Viren gerichtet sind und/oder die Abwehrreaktion des Zellsystems beeinflussen, eingesetzt werden und über fluoreszenzbedingte Marker Veränderungen an den Viren und/oder am Zellsystem von Körperflüssigkeiten oder Organen gemessen werden.7. The method as described under 2, in which fluorescence-labeled viruses or parts in one batch of these, together with or without fluorescence-labeled substances, which act against the Viruses are directed and / or affect the defense response of the cell system, are used and changes in the viruses and / or in the cell system of Body fluids or organs are measured. 8. Verfahren, wie unter 2 beschrieben, bei dem in einem Ansatz fluoreszenzmarkierte Tumorzellen oder Teile davon, zusammen mit oder ohne fluoreszenzmarkierte Substanzen, die in ihrer Wirkung gegen die Tumorzellen gerichtet sind und/oder die Abwehrreaktion des Zellsystems beeinflussen, eingesetzt werden und über fluoreszenzbedingte Marker Veränderungen an den Viren und/oder am Zellsystem von Körperflüssigkeiten oder Organen gemessen werden.8. The method as described under 2, in which fluorescence-labeled tumor cells or Parts of it, together with or without fluorescence-labeled substances, which are effective against the tumor cells are directed and / or influence the defense response of the cell system and changes in the viruses and / or the cell system via fluorescence-related markers of body fluids or organs. 9. Verfahren, wie unter 2 beschrieben, bei dem auf einer Fluoreszenzfarbe durch gleichfarbig fluoreszenzmarkierte Antikörpermischungen gegen hochexprimierte, mittelstark exprimierte und schwach exprimierte Antigene und/oder durch selektive Verminderung der Fluoreszenzmarkierung (Verdünnung, Mischungen mit unmarkiertem Antikörper) und/oder selektive Erhöhung der Fluoreszenzmarkierung (höhere Antikörperbeladung mit Fluoreszenzmolekülen, indirekte Immunfluoreszenz), eine Auftrennung in mehrere Subpopulationsbereiche erreicht wird.9. The method as described under 2, in which on a fluorescent color by the same color fluorescence-labeled antibody mixtures against highly expressed, moderately expressed and weakly expressed antigens and / or by selective reduction of the fluorescent label (Dilution, mixtures with unlabelled antibody) and / or selective increase in Fluorescence labeling (higher antibody loading with fluorescent molecules, indirect Immunofluorescence), separation into several subpopulation areas is achieved. 10. Verfahren, wir unter 2 beschrieben, bei dem auf einer Fluoreszenzfarbe durch Mischung von gleichfarbig fluoreszenzmarkierten Antikörpern gegen Aktivierungsmarker und/oder Zytokine funktionell verschiedene Subpopulationsbereiche dargestellt werden.10. Method described under 2, in which on a fluorescent color by mixing antibodies of the same color fluorescence marked against activation markers and / or cytokines functionally different subpopulation areas are shown.
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