DisCo: Steigerung der Effizienz der Einzelzell-RNA-Sequenzierung
Die Einzelzell-RNA-Sequenzierung, kurz «scRNA-seq», ist eine Technik, die es Forschenden ermöglicht, die Expression von Genen in einer einzelnen Zelle innerhalb einer gemischten Population zu untersuchen – wie sie praktisch in allen Zellen des Körpergewebes vorkommen. Als Teil einer grösseren Familie von «Einzelzell-Sequenzierungstechniken» wird bei der scRNA-seq die RNA einer einzelnen Zelle erfasst und nach mehreren molekularen Umwandlungsreaktionen sequenziert. Da die RNA der Zwischenschritt vom Gen (DNA) zum Protein ist, gibt sie einen Überblick darüber, welche Gene in der betreffenden Zelle aktiv sind und welche nicht.
Da scRNA-seq die Aktivität aller Gene im Genom der Zelle erfasst – Tausende von Genen auf einmal – ist es zum Goldstandard für die Definition von Zellzuständen und Phänotypen geworden. Diese Art von Daten kann seltene Zelltypen innerhalb einer Zellpopulation aufdecken, sogar Typen, die nie zuvor gesehen wurden.
Kosten und Effizienz
Aber scRNA-seq ist nicht nur ein Werkzeug für die grundlegende Zellbiologie, sondern hat auch in der medizinischen und pharmakologischen Forschung breite Anwendung gefunden, da damit festgestellt werden kann, welche Zellen sich in einem Gewebe aktiv teilen oder auf ein bestimmtes Medikament oder eine Behandlung reagieren.
«Diese Einzelzellansätze haben unsere Fähigkeit, zelluläre Eigenschaften in verschiedenen Systemen zu bestimmen, verändert», sagt Professor Bart Deplancke von der EPFL School of Life Sciences, «das Problem ist, dass sie derzeit auf grosse Zellmengen zugeschnitten sind.»
Das ist kein triviales Problem, denn die scRNA-seq-Methoden benötigen mehr als tausend Zellen für eine brauchbare Messung. Dr. Johannes Büs, Forscher in Deplanckes Gruppe, fügt hinzu: «Das macht sie ineffizient und kostspielig, wenn kleine, individuelle Proben wie kleine Gewebe oder Patientenbiopsien verarbeitet werden, was tendenziell durch das Laden von Massenproben gelöst wird, was zu verwirrenden Mosaik-Zellpopulationen führt.»
Die DisCo-Lösung
Zusammen mit Marjan Biočanin und Jörn Pezoldt, ebenfalls aus Deplanckes Gruppe, hat Büs nun eine neue Methode entwickelt, mit der sich scRNA-seq-Proben mit weniger Zellen effizient bearbeiten lassen. Die in Nature Methods veröffentlichte Methode trägt den Namen «DisCo» für «deterministic, mRNA-capture bead and cell co-encapsulation dropleting system».
Im Gegensatz zu den üblichen Einzelzellmethoden, die auf passivem Zellfang beruhen, nutzt DisCo die maschinelle Sicht, um Zellen aktiv zu erkennen und sie in Öltröpfchen einzufangen. Dieser Ansatz ermöglicht einen kontinuierlichen Betrieb und macht auch die Skalierung und serielle Verarbeitung von Zellproben äusserst kosteneffizient.
Wie in der Studie gezeigt wird, bietet DisCo eine präzise Partikel- und Zellpositionierung und steuert die Tröpfchensortierung durch eine Kombination aus maschineller Sicht und mehrschichtiger Mikrofluidik. All dies ermöglicht eine kontinuierliche Verarbeitung von Einzelzellsuspensionen mit geringem Input und hoher Fangeffizienz (über 70 %) bei einer Geschwindigkeit von bis zu 350 Zellen pro Stunde.
Um die einzigartigen Fähigkeiten von DisCo zu demonstrieren, testeten die Forschenden es an den kleinen chemosensorischen Organen der Fruchtfliege Drosophila sowie an einzelnen Darmkrypten und Organoiden. Bei letzteren handelt es sich um winzige Gewebe, die in Kulturschalen gezüchtet werden, die echten Organen sehr ähnlich sind – ein Bereich, in dem die EPFL seit Jahren eine Vorreiterrolle spielt.
Mit DisCo analysierten die Forschenden einzelne Darmorganoide in verschiedenen Entwicklungsstadien. Der Ansatz zeichnete ein faszinierendes Bild der Heterogenität der Organoide und wies verschiedene Untertypen von Organoiden nach, von denen einige noch nie zuvor identifiziert worden waren.
«Unsere Arbeit zeigt die einzigartige Fähigkeit von DisCo, hochauflösende Schnappschüsse der zellulären Heterogenität in kleinen, individuellen Geweben zu liefern», so Deplancke.
