Neue Methode markiert Zellen mit Standortkoordinaten für Einzelzellstudien

Wenn ein Wissenschaftler einzelne Zellen auf molekularer Ebene in einem Organ wie dem Herzen oder dem Gehirn untersuchen möchte, bricht er normalerweise das Gewebe auf, um die Zellen zu analysieren. Dies liefert ausführliche Informationen über die Genaktivität, speichert jedoch keine Informationen über die Position der Zellen im Gewebe.

Jetzt können Wissenschaftler mithilfe standardmäßiger Einzelzell-Workflows im Labor sowohl genetische als auch Standortinformationen einzelner Zellen erfassen. Eine neue Methode, die am Broad Institute of MIT und Harvard entwickelt wurde, ermöglicht es Forschern, präzise Standortmarkierungen an einzelnen Zellkernen anzubringen, die sie dann für eine Vielzahl von Einzelzellexperimenten isolieren können, während sie gleichzeitig Informationen über den ursprünglichen Standort der Zellen im Gewebe sammeln.

Die neue Methode, bekannt als Slide-Tags, wurde von den Labors von Fei Chen, einem Mitglied des Broad-Kerninstituts, einem ehemaligen Fellow des Merkin Institute am Broad und Assistenzprofessor für Stammzellen- und regenerative Biologie an der Harvard University, und Evan Macosko entwickelt , Institutsmitglied am Stanley Center for Psychiatric Research in Broad und außerordentlicher Professor am Massachusetts General Hospital.

Slide-Tags basieren auf einem anderen Ansatz, Slide-seq, der von denselben Labors entwickelt wurde und räumliche Muster der genetischen Aktivität in Geweben abbilden kann, aber keine Einzelzellauflösung wie die neue Slide-Tags-Methode erreicht.

„Mit diesem neuen Ansatz haben wir eine Möglichkeit gefunden, wie Wissenschaftler alle Einzelzellexperimente durchführen können, die sie bereits durchführen, und dabei immer noch genau wissen, woher eine Zelle kommt“, sagte Chen. „Dies ist das erste Mal, dass es jemandem gelungen ist, die Welten der Geodaten und der Einzelzellendaten vollständig zu verschmelzen.“

Das Team beschreibt Slide-Tags in Natur Außerdem zeigen sie, wie sie mit ihrer Technik Zellen in Geweben untersuchen, darunter menschliches Gehirn, Mandeln und einen Melanomtumor.

„Wir haben gezeigt, wie Sie räumliche Daten nutzen können, um neue Biologie zu entdecken, die Sie nie entdecken würden, wenn Sie nur Standardexperimente mit Einzelzellen durchführen würden“, sagte Macosko.

„Unsere Experimente gehen über die bloße Untersuchung der Gene hinaus, die in einer bestimmten Zelle exprimiert werden“, sagte Andrew Russell, Postdoktorand bei Broad und Co-Erstautor der Studie. „Slide-tags ist mit praktisch jedem Einzelzell-Sequenzierungsassay kompatibel und liefert so hochauflösende räumliche Informationen auch für Einzelzellmessungen der genetischen Sequenz der Zelle und der epigenetischen Regulation.“

Jackson Weir, ein Doktorand, und Naeem Nadaf, ein Forschungswissenschaftler, beide am Broad, sind ebenfalls Co-Erstautoren der Studie.

Eine Zelle nach der anderen

Bei Slide-seq, über das im Jahr 2019 berichtet wurde, werden Gewebeschnitte auf Arrays spezieller Perlen übertragen, von denen jedes mit einem DNA-Barcode versehen ist, der seine Position im Array identifiziert. Die Kügelchen haben einen Durchmesser von 10 Mikrometern – etwa so groß wie viele Zellen im Körper, sodass die meisten Kügelchen nur an die Boten-RNAs einer Zelle binden. Einige Perlen fangen jedoch die RNA mehrerer Zellen gleichzeitig ein. „Das bedeutete also, dass wir mit Slide-seq keine wirkliche Einzelzellenauflösung erreichen“, sagte Chen.

Um diese Herausforderung zu meistern, haben die Gruppen Chen und Macosko Slide-Tags entwickelt, die eine ähnliche Anordnung von Perlen verwenden, aber jede Perle mit vielen identischen Barcodes versehen ist, die den Standort der Perle angeben. Nachdem ein Gewebeschnitt auf die Perlenanordnung aufgetragen wurde, dringen die Barcodes in die Zellkerne ein. Ein bestimmter Zellkern absorbiert die höchsten Mengen des Barcodes, der zu der dieser Zelle am nächsten gelegenen Perle gehört, aber auch niedrigere Mengen der Barcodes von weiter entfernten Perlen. Anschließend messen die Forscher die unterschiedlichen Niveaus verschiedener Barcodes in jedem Zellkern und berechnen die Position der Zelle innerhalb der Anordnung.

„So wie der GPS-Standort einer Person basierend auf ihrer Entfernung von mehreren verschiedenen Satelliten trianguliert werden kann, können wir den Standort eines beliebigen Kerns anhand des Signals mehrerer verschiedener Perlen bestimmen“, erklärte Chen.

Standort, Standort, Standort

Sobald sich die Barcodes im Inneren der Zellkerne befinden, können Forscher die Kerne genauso behandeln, wie sie es normalerweise bei Standard-Einzelzellenexperimenten tun.

„Das Tolle war, dass wir, sobald unsere Kerne mit einem Barcode versehen waren, kaum noch Anpassungen an der Art und Weise vornehmen mussten, wie wir normalerweise Einzelzellexperimente durchführen“, sagte Nadaf.

Die Forscher testeten ihre Technik an postmortalen menschlichen Gehirnproben, die in den meisten räumlichen Tests bekanntermaßen schwer zu verwenden sind, da die Zellen nach dem Tod schnell abgebaut werden. Die Kerne blieben jedoch viel länger intakt, sodass Slide-Tags effektiv funktionieren konnten. Macoskos Team beschriftete Schnitte des Gehirngewebes und untersuchte dann die Menge an RNA-Molekülen in jeder Zelle, um die Identität der Zellen herauszufinden.

Die Wissenschaftler stellten nicht nur bekannte Muster von Zellen in der Hirnrinde nach, sondern entdeckten auch Zellcluster, von denen man zuvor annahm, dass sie gleichmäßig über die Hirnrinde verteilt seien.

Anschließend wendete Chens Gruppe Slide-Tags an Melanomtumoren an und analysierte sowohl Krebszellen als auch Immunzellen innerhalb der Tumore. Sie entdeckten, dass sich ein bestimmter Typ von Immunzellen häufig in einer Region des Tumors ansiedelte, die über einzigartige genetische Eigenschaften verfügte. Solche Erkenntnisse können das Verständnis der Forscher über das Zusammenspiel zwischen Immun- und Krebszellen verbessern, was eines Tages zur Entwicklung neuer Immuntherapien beitragen könnte.

„Zell-Zell-Interaktionen innerhalb von Tumoren sind sehr komplex. Die Anwendung von Slide-Tags in großem Maßstab auf Patientenproben wird uns helfen herauszufinden, welche spezifischen Immunzellen mit welchen Krebszellen interagieren und warum“, sagte Weir.

Das Broad-Team hofft, dass andere Forscher Slide-Tags für ihre eigenen Gewebe und Zellen von Interesse verwenden. Derzeit optimieren sie die Technik für den Einsatz bei verschiedenen Gewebearten und entwickeln Möglichkeiten, sie auf bereits fixierte oder konservierte Gewebe anzuwenden. Sie fügen hinzu, dass diese Technologie Wissenschaftlern dabei helfen wird, groß angelegte Atlanten von Zelltypen über ganze menschliche Organe hinweg zu erstellen.