Ein Forscherteam aus dem Labor von Prof. Stein Aerts (VIB-KU Leuven) präsentiert Nova-ST, eine neue räumliche Transkriptomik-Technik, die verspricht, das Genexpressionsprofil in Gewebeproben zu verändern. Nova-ST wird groß angelegte, hochauflösende räumliche Gewebeanalysen zugänglicher und erschwinglicher machen und Forschern erhebliche Vorteile bieten. Die Forschung wurde veröffentlicht In Methoden für Zellberichte.
Die Transkriptomik ist die Untersuchung der Genexpression in einer Zelle oder einer Zellpopulation, enthält aber normalerweise keine räumlichen Informationen darüber, wo diese Gene aktiv waren. Dieses Hindernis schränkt unser Verständnis komplexer biologischer Prozesse ein, die auf bestimmten Genaktivitätsmustern innerhalb von Geweben beruhen.
Glücklicherweise hat sich die räumliche Transkriptomik als leistungsfähiges Werkzeug erwiesen, mit dem Wissenschaftler die Genexpression in einem Gewebeabschnitt mit räumlichem Kontext abbilden können. Bestehende Techniken leiden jedoch häufig unter hohen Kosten, begrenzter Auflösung oder Kompatibilitätsproblemen.
Hier kommt Nova-ST ins Spiel, ein neuartiger Open-Source-Workflow für räumliche Transkriptomik, der vom Labor von Prof. Aerts und den Fachabteilungen für Einzelzell-Mikrofluidik und Bioinformatik bei VIB.AI und dem VIB-KU Leuven Center for Brain & Disease Research entwickelt wurde. Nova-ST überwindet diese Einschränkungen mit seinem innovativen Ansatz und bietet höhere Erschwinglichkeit, beeindruckende Auflösung und Vielseitigkeit.
Unter der Haube
Das Herzstück von Nova-ST ist eine clevere Anpassung der Illumina NovaSeq 6000 S4 oder der neuen Generation der Novaseq X-Sequenzierungsflusszellen, die häufig für die DNA-Sequenzierung im großen Maßstab verwendet werden. Diese Flusszellen enthalten eine dichte, nanostrukturierte Oberfläche, die mit winzigen, zufällig mit Barcodes versehenen Nanowells durchsetzt ist, die in einem sechseckigen Gitter angeordnet sind.
Jede Vertiefung dient als Aufnahmestelle für mRNA-Moleküle von einem bestimmten Ort innerhalb der Gewebeprobe. Diese dichte, nanostrukturierte Oberfläche ermöglicht Nova-ST eine hohe räumliche Auflösung und kann möglicherweise den Fußabdruck einzelner Zellen erfassen.
„Wir nutzen diese Einfangstellen dann, um mRNA-Moleküle einzufangen und dabei ihre räumlichen Koordinaten zu bewahren“, erklärt Dr. Suresh Poovathingal, der die experimentelle Entwicklung und Optimierung leitete. „Die Sequenzierung dieser eingefangenen mRNA-Moleküle enthüllt das Genexpressionsprofil für jede Einfangstelle. Indem wir diese Informationen zusammenfügen, können wir eine detaillierte Karte der Genaktivität über den gesamten Gewebeabschnitt hinweg rekonstruieren.“
Vorteile
Die neue Plattform bietet mehrere entscheidende Vorteile. Erstens ist sie kostengünstig. Durch die Nutzung leicht verfügbarer Illumina-Durchflusszellen und den Einsatz einer neuartigen Chip-Schneidetechnik können aus einer einzigen Durchflusszelle mehrere Nova-ST-Chips erstellt werden, was die Kosten im Vergleich zu bestehenden Methoden deutlich senkt.
Zweitens ermöglicht die dichte, nanostrukturierte Oberfläche Nova-ST eine hohe räumliche Auflösung, wodurch die Genexpression potenziell auf Einzelzellebene erfasst werden kann. Drittens ist Nova-ST mit verschiedenen Gewebetypen kompatibel, was es zu einem vielseitigen Werkzeug für die Untersuchung unterschiedlicher biologischer Systeme macht. Darüber hinaus lässt die Kompatibilität mit Illumina-Durchflusszellen der nächsten Generation darauf schließen, dass Nova-ST von Fortschritten in der Sequenzierungstechnologie profitieren kann.
„Wichtig ist, dass Nova-STs Open-Source-Charakter das Protokoll einem größeren Kreis von Forschern zugänglich macht und weitere Anpassungen ermöglicht“, bemerkt Dr. Kristofer Davie, der die Datenanalyse leitete. „Unser Arbeitsablauf ist benutzerfreundlich und anpassungsfähig gestaltet, sodass Forscher die Technik an ihre spezifischen Bedürfnisse anpassen können.“
Auswirkungen
Nova-ST ist das jüngste Beispiel für umfassendere Bemühungen innerhalb der Forschungsgemeinschaft für räumliche Transkriptomik, den Zugang zu demokratisieren und Plattformen zu bauen, die ein breites Spektrum der biomedizinischen Forschung voranbringen. Dazu gehören Seq-Scope und seine jüngsten Varianten, die an der University of Michigan entwickelt wurden, sowie die kürzlich veröffentlichte Open-ST-Plattform, die von Wissenschaftlern am Max-Delbrück-Centrum in Deutschland entwickelt wurde.
Aerts‘ Labor und die Facheinheiten wenden Nova-ST bereits an, um die Forschung ihrer Kollegen in den Bereichen Neurodegeneration und Krebsbiologie voranzutreiben. So verarbeiteten sie beispielsweise Muskelproben für das Labor von Sandrine Da Cruz (VIB-KU Leuven), um die Auswirkungen neurodegenerativer Erkrankungen auf neuromuskuläre Verbindungen zu untersuchen. Darüber hinaus arbeiten sie mit dem Labor von Diether Lambrechts (VIB-KU Leuven) zusammen, um die Nova-ST-Plattform zu erweitern.
Diese Erweiterung ermöglicht die gleichzeitige räumliche Analyse von Immunzellrezeptoren und Genexpression und ermöglicht so die Untersuchung der Immunzellverteilung in Tumoren, die einer Immuntherapie unterzogen werden. Diese Kooperationen unterstreichen die praktischen Anwendungsmöglichkeiten von Nova-ST und sein Potenzial, verschiedene Bereiche zu beeinflussen.
Prof. Aerts betont: „Nova-ST verändert die Forschung in vielen Bereichen, von der Krebsbiologie bis zur Pflanzenbiologie. Indem wir diese Plattform Open Source machen, möchten wir Wissenschaftlern weltweit die Möglichkeit geben, zu forschen und Innovationen zu entwickeln.“
Mehr Informationen:
Suresh Poovathingal et al, Nova-ST: Nano-gemusterte ultradichte Plattform für räumliche Transkriptomik, Methoden für Zellberichte (2024). DOI: 10.1016/j.crmeth.2024.100831
Die detaillierten Versuchsprotokolle sind verfügbar Hier Und Hier. Die Rechenpipeline ist auf GitHub verfügbar, wo sie von der gesamten wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Implementierung von Nova-ST genutzt werden kann. Weitere Einzelheiten finden Sie unter nova-st.aertslab.org.