Neue Methode lokalisiert genau Genaktivität und Proteine ​​im Gewebe

Eine neue Methode kann die Identitäten und Aktivitäten von Zellen in einem Organ oder einem Tumor mit beispielloser Auflösung beleuchten, so eine Studie, die von Forschern von Weill Cornell Medicine, New York-Presbyterian und dem New York Genome Center gemeinsam geleitet wurde.

Die Methode, beschrieben am 2. Januar in einem Artikel in Naturbiotechnologie, zeichnet Genaktivitätsmuster und das Vorhandensein von Schlüsselproteinen in Zellen über Gewebeproben hinweg auf, während Informationen über die genauen Standorte der Zellen gespeichert werden. Dies ermöglicht die Erstellung komplexer, datenreicher „Karten“ von Organen, einschließlich erkrankter Organe und Tumore, die in der Grundlagen- und klinischen Forschung von großem Nutzen sein könnten.

„Diese Technologie ist aufregend, weil sie es uns ermöglicht, die räumliche Organisation von Geweben, einschließlich Zelltypen, Zellaktivitäten und Zell-zu-Zell-Interaktionen, wie nie zuvor abzubilden“, sagte Dr. Dan Landau, Co-Senior-Autor der Studie, außerordentlicher Professor der Medizin in der Abteilung für Hämatologie und medizinische Onkologie und Mitglied des Sandra and Edward Meyer Cancer Center bei Weill Cornell Medicine und Kernfakultätsmitglied am New York Genome Center.

Der andere Co-Seniorautor war Dr. Marlon Stoeckius von 10x Genomics, einem in Kalifornien ansässigen Biotechnologieunternehmen, das Laborgeräte für die Profilierung von Zellen in Gewebeproben herstellt. Die drei Co-Erstautoren waren Dr. Nir Ben-Chetrit, Xiang Niu und Ariel Swett, jeweils Postdoktorand, Doktorand und Forschungstechniker im Landau-Labor während der Studie.

Die neue Methode ist Teil umfassender Bemühungen von Wissenschaftlern und Ingenieuren, bessere Wege zu entwickeln, um im Mikromaßstab zu „sehen“, wie Organe und Gewebe funktionieren. Forscher haben in den letzten Jahren große Fortschritte gemacht, insbesondere bei Techniken zur Profilerstellung von Genaktivitäten und anderen Informationsschichten in einzelnen Zellen oder kleinen Zellgruppen. Diese Techniken erfordern jedoch typischerweise die Auflösung von Geweben und die Trennung von Zellen von ihren Nachbarn, so dass Informationen über die ursprünglichen Orte der profilierten Zellen innerhalb des Gewebes verloren gehen. Das neue Verfahren erfasst auch diese räumlichen Informationen und das in hoher Auflösung.

Die Methode namens Spatial PrOtein and Transcriptome Sequencing (SPOTS) basiert teilweise auf der bestehenden 10x Genomics-Technologie. Es verwendet Objektträger aus Glas, die für die Abbildung von Gewebeproben mit gewöhnlichen mikroskopbasierten Pathologiemethoden geeignet sind, aber auch mit Tausenden von speziellen Sondenmolekülen beschichtet sind. Jedes der Sondenmoleküle enthält einen molekularen „Barcode“, der seine zweidimensionale Position auf dem Objektträger anzeigt. Wenn eine dünn geschnittene Gewebeprobe auf den Objektträger gelegt und ihre Zellen durchlässig gemacht werden, greifen die Sondenmoleküle auf dem Objektträger die Boten-RNAs (mRNAs) benachbarter Zellen, die im Wesentlichen die Transkripte aktiver Gene sind. Das Verfahren umfasst die Verwendung von Designer-Antikörpern, die an interessierende Proteine ​​im Gewebe binden – und auch an die speziellen Sondenmoleküle binden. Mit schnellen, automatisierten Techniken können Forscher die eingefangenen mRNAs und ausgewählte Proteine ​​identifizieren und sie genau an ihren ursprünglichen Orten in der Gewebeprobe abbilden. Die resultierenden Karten können allein betrachtet oder mit einer standardmäßigen pathologischen Bildgebung der Probe verglichen werden.

Das Team demonstrierte SPOTS auf Gewebe aus einer normalen Mausmilz und enthüllte die komplexe funktionelle Architektur dieses Organs, einschließlich Cluster verschiedener Zelltypen, ihrer funktionellen Zustände und wie diese Zustände mit den Standorten der Zellen variierten.

Die Forscher hoben das Potenzial von SPOTS in der Krebsforschung hervor und nutzten es auch, um die zelluläre Organisation eines Maus-Brusttumors zu kartieren. Die resultierende Karte zeigte Immunzellen, sogenannte Makrophagen, in zwei unterschiedlichen Zuständen, die durch Proteinmarker gekennzeichnet sind – ein Zustand aktiv und tumorbekämpfend, der andere immunsuppressiv und eine Barriere zum Schutz des Tumors bildend.

„Wir konnten sehen, dass diese beiden Makrophagen-Untergruppen in unterschiedlichen Bereichen des Tumors zu finden sind und mit unterschiedlichen Zellen interagieren – und dass die unterschiedliche Mikroumgebung wahrscheinlich ihre unterschiedlichen Aktivitätszustände antreibt“, sagte Dr. Landau, der auch Onkologe in New York ist. Presbyterianer/Weill Cornell Medical Center.

„Solche Details der Immunumgebung des Tumors – Details, die aufgrund der geringen Anzahl von Immunzellen in Tumoren oft nicht aufgelöst werden können – könnten helfen zu erklären, warum einige Patienten auf eine immunstärkende Therapie ansprechen und andere nicht, und könnten somit das Design beeinflussen zukünftiger Immuntherapien“, fügte er hinzu.

„Diese erste Version von SPOTS hat eine solche räumliche Auflösung, dass jedes „Pixel“ des resultierenden Datensatzes die Genaktivitätsinformationen für mindestens mehrere Zellen summiert. Die Forscher hoffen jedoch, diese Auflösung bald auf einzelne Zellen einzugrenzen und weitere Schlüsselschichten hinzuzufügen Mobilfunkinformationen“, sagte Dr. Landau.