Forscher entwickeln eine neue Methode

Der menschliche Körper enthält mehr als 30 Billionen Zellen. Bis vor kurzem waren Ansätze zum Verständnis menschlicher Krankheiten und Entwicklungsprozesse, die auf der Analyse einzelner Zellen beruhen, allein aufgrund der schieren Zahl der Zellen im Organismus Zukunftsmusik. Die Entwicklung neuer Sequenzierungsmethoden revolutioniert derzeit unser Verständnis der zellulären Heterogenität. Diese Technologien können seltene oder sogar neue Zelltypen erkennen, indem sie die genetische Information aus den Zellen auf Basis von Ribonukleinsäureketten extrahieren und sequenzieren.

Professor Matthias Meier vom Zentrum für Biotechnologie und Biomedizin der Universität Leipzig und seine Forschungsgruppe haben in Zusammenarbeit mit Helmholtz München eine neue, effektive und vergleichsweise kostengünstige Methode entwickelt, um seltene Zelltypen, Zellkommunikationstypen und Krankheitsmuster im Gewebe sichtbar zu machen. Ihre Ergebnisse haben die Forscher nun in der Fachzeitschrift veröffentlicht Naturkommunikation.

Alle Methoden der Einzelzellanalyse erfordern das Ablösen von Zellen aus dem Gewebeverbund, wodurch räumliche Informationen über Zelltypen und damit Informationen über die zelluläre Umgebung, zelluläre Kommunikationswege oder Funktion verloren gehen. Um ortsaufgelöste Informationen über einzelne Zellen zu erhalten, müssen Bildgebungs- und Sequenzierungstechniken kombiniert eingesetzt werden. In den letzten Jahren wurden mehrere Ansätze entwickelt, um die Zusammenführung von Bildgebungs- und Sequenzierungsdaten zu vereinheitlichen.

Je nach Fragestellung wurden verschiedene Parameter wie räumliche Auflösung, Nachweisgrenze, Zugänglichkeit der Ribonukleinsäuren und Kosten gegeneinander abgewogen. Eine frühere Analysemethode basierte auf der Idee, den Ribonukleinsäuren mithilfe eines Barcodes, der auf der Abfolge von DNA-Basen basiert, lokale Informationen anzuhängen. Nach Extraktion aller Ribonukleinsäuren und anschließender Massensequenzierung können die Barcodes verwendet werden, um ein künstliches Bild zu erstellen.

Hier setzt die Arbeit von Johannes Wirth an. Als Doktorand im Labor von Matthias Meier hat der Forscher am Helmholtz München einen fortschrittlichen Workflow entwickelt, der es ermöglicht, ortsaufgelöste Genomdaten gepaart mit hochwertigen Mikroskopiebildern zu gewinnen. Dies ermöglicht die Visualisierung seltener Zelltypen, Zellkommunikationstypen und Krankheitsmuster im Gewebe. Im Fokus stand die Entwicklung eines neuen mikrofluidischen Chips, der es ermöglicht, Ribonukleinsäureketten in großen Gewebeschnitten kostengünstig zu analysieren.

„Im Vergleich zur ursprünglichen Methode hat der neue Ansatz die Menge an Bildinformationen pro Pixel um den Faktor sechs bis zwölf erhöht. Das bedeutet, dass wir etwa 5000 Gene pro Pixel auflösen können, was uns erlaubt, seltene Zelltypen in der Niere sichtbar zu machen.“ oder Leber“, erklärt Wirth. Zum Vergleich: Ein Standard-HD-Bildschirm kann die drei Grundfarben nur mit 256 unterschiedlichen Helligkeitsstufen pro Pixel darstellen.

Zusätzlich zu den technischen Fortschritten stellte das Team auch eine Open-Source-Analyse-Pipeline bereit, um die Methode leicht zugänglich zu machen. Da die Methode für eine Vielzahl von Geweben geeignet ist, wird sie die Untersuchung komplexer Krankheiten und Multiorganfunktionen und -dysfunktionen erleichtern.

„Die von uns entwickelte Methode, die bildgebende und Sequenzierungstechniken kombiniert, war bis vor kurzem eine Vision. Sie hat unser Verständnis der zellulären Heterogenität revolutioniert und uns ermöglicht, neue Zelltypen in allen Organismen zu finden“, sagt Professor Meier. Mit der Entwicklung von Einzelzell-Sequenzierungsmethoden ist es nun möglich, zelluläre Entwicklungswege und den Verlauf von Krankheiten besser zu verstehen.