Forschende der ETH Zürich und der EPFL erweitern das aufstrebende Feld der Einzel-Zell-Analysen um eine wegweisende Methode: Live-seq erlaubt es, die Aktivit?t von Tausenden von Genen einer einzelnen Zelle zu messen, ohne sie isolieren und zerst?ren zu müssen.
Die moderne Biologie will zunehmend verstehen, warum sich individuelle Zellen unterschiedlich verhalten. In der Grundlagenforschung stehen dazu seit wenigen Jahren verschiedene hochempfindliche Messmethoden bereit, um gezielt einzelne Zellen zu analysieren. Solche Einzel-Zell-Analysen erlauben es, Unterschiede zwischen Zellen eines Verbands zu erkennen, seltene Zelltypen zu finden oder kranke Zellen zu identifizieren – was mit Proben gemischter Zellpopulationen nicht m?glich ist.
Wissenschaftler:innen wollen vermehrt herausfinden, welche Gene in einer bestimmten Zelle eingeschaltet oder ausgeschaltet sind. Das l?sst sich mittels RNA-Sequenzierung einzelnen Zellen untersuchen (Englisch: single-cell RNA sequencing, kurz scRNA-seq). Dabei werden m?glichst alle in der Zellflüssigkeit vorhandenen Boten-?RNA-Moleküle entziffert und den jeweiligen aktiven Gensequenzen zugeordnet. So kann die Einzel-Zell-RNA-Sequenzierung die Aktivit?t von Tausenden Genen in einer Zelle messen.
Das junge Feld der Einzel-Zell-RNA-Sequenzierung ist rasch zu einem wichtigen Instrumentarium für die biomedizinische Forschung gewachsen und umfasst heute zahlreiche Techniken zur Analyse der gesamten Boten-RNA, des so genannten Transkriptoms. ?All diesen Techniken ist jedoch eine Einschr?nkung gemein, die lange als unvermeidbar galt?, sagt Julia Vorholt, Professorin für Mikrobiologie an der ETH Zürich, ?n?mlich, dass die zu untersuchenden Zellen isoliert, aufgel?st und somit abget?tet werden müssen.?
Zellen biopsieren statt zerst?ren
Ein Team von Forschenden um Vorholt und EPFL-Professor Bart Deplancke wartet nun mit einer Alternative für die Einzel-Zell-RNA-Sequenzierung auf: Sie analysiert ebenfalls das Transkriptom, erfasst dieses jedoch minimalinvasiv mittels zellul?ren Biopsien und h?lt die Zelle dabei am Leben und funktionill intakt, was einzigartig ist. Die Wissenschaftler:innen stellen ihre ?Live-seq? genannte Technik aktuell in der Fachzeitschrift externe Seite Nature vor.
?Unsere St?rke ist, die beprobte Zelle weiter unter dem Mikroskop beobachten zu k?nnen, wie sie sich entwickelt und verh?lt.?Julia Vorholt
Allein dass die analysierte Zelle nicht stirbt, ist laut den Forschenden ein Vorteil für sich: ?Unsere St?rke ist, die beprobten Zellen weiter unter dem Mikroskop beobachten zu k?nnen, wie sie sich entwickelt und verh?lt?, führt Vorholt aus.
Abgesehen davon bel?sst Live-seq die Zellen auch in ihrem physiologischen Kontext. ?Die Mikroumgebung und die Zell-Zell-Interaktionen bleiben bestehen?, erg?nzt Orane Guillaume-Gentil, Postdoc in der Gruppe von Vorholt. Sie hat die Methode zusammen mit Wanze Chen von der EPFL im Labor etabliert.
Basis ist ein Zellsauger-Mikrosystem
Die Vorarbeiten für die Erfassung des Transkriptoms aus lebenden Zellen leisteten die Forschenden vor einiger Zeit an der ETH Zürich. Das Fundament bildet das an der ETH Zürich entwickelte Mikroinjektionssystem FluidFM, das winzige Flüssigkeitsmengen unter einem Mikroskop manipulieren kann. Vorholt und ihre Gruppe machten aus der ?kleinsten Injektionsnadel der Welt? eine Zell-Extratktionsmethode, um einzelne lebende Zellen mit der Mikro-?Injektionsnadel anzupiksen und deren Inhalt auszusaugen (siehe ETH-News-Artikel).
Aktuell zeigen die Teams um Vorholt und Deplancke, dass sich vollwertige Transkriptome aus solchen Zellbiopsien nachweisen lassen. Der entscheidende Fortschritt entstand, als es den Forschenden gelang, die RNA aus diesen winzigen Mengen an Zellflüssigkeit auszulesen.
Um Live-seq zu validieren, demonstrierte das EPFL-ETH-Forschungsteam, dass ihr Analysewerkzeug verschiedene Zelltypen und -zust?nde genau identifizieren kann, ohne sie zu st?ren. Zudem nutzten die die Forschenden ihre Plattform, um die Ver?nderungen einzelner Immunzellen direkt abzubilden, bevor und nachdem sie aktiv wurden, sowie von Fettstromazellen – einer Art von Stammzellen – bevor und nachdem sie sich in Fettzellen differenzierten.
Die Genaktivit?t über die Zeit verfolgen
Live-seq kann nun helfen, neue biomedizinisch relevante Fragestellungen zu untersuchen. Deplancke, EPFL-Professor für Systembiologie, erl?utert n?her: ?Etwa warum sich bestimmte Zellen differenzieren und ihre Schwesterzellen nicht, oder warum bestimmte Zellen gegen ein Krebsmedikament resistent sind und ihre Schwesterzellen wiederum nicht?.
Zudem kann Live-seq nun die Aktivit?t Tausender von Genen in einer einzelnen Zelle durch wiederholte Messungen auch über die Zeit hinweg verfolgen. ?So wandelt sich die Einzel-Zell-Analyse von einem Endpunkt zu einem zeitlichen und r?umlichen Analyseverfahren?, sagt Vorholt.
Dieser Artikel beruht auf einer Mitteilung der externe Seite EPFL.
Literaturhinweis
Chen W, Guillaume-Gentil O et al. Live-seq enables temporal transcriptomic recording of single cells. Nature (2022), externe Seite doi: 10.1038/s41586-022-05046-9