Spatial transkriptomik och proteomik ger kompletterande information som förändrade vår förståelse av komplexa biologiska processer. Den experimentella integrationen av dessa metoder är dock begränsad.
En ny metod som kallas Spatial Protein and Transcriptome Sequencing (SPOTS) kan belysa cellers identiteter och aktiviteter i ett organ eller en tumör med oöverträffad upplösning. Utvecklad av forskare vid Weill Cornell Medicine, NewYork-Presbyterian och New York Genome Center, kan SPOTS belysa cellers identiteter och aktiviteter genom ett organ eller en tumör med oöverträffad upplösning.
Tekniken bevarar information om de exakta platserna för cellerna samtidigt som mönster av genaktivitet och närvaron av väsentliga registreras proteiner i celler över vävnadsprover. Detta gör det möjligt att skapa intrikata, datarika "kartor" över organ, inklusive sjuka organ och tumörer, vilket kan vara till stor hjälp i både grundläggande och klinisk forskning.
Studera co-senior författare Dr. Dan Landau, en docent i medicin vid avdelningen för hematologi och medicinsk onkologi och en medlem av Sandra och Edward Meyer Cancer Center vid Weill Cornell Medicine och en kärnfakultetsmedlem vid New York Genome Center, sa, "Den här tekniken är spännande eftersom den tillåter oss att kartlägga den rumsliga organisationen av vävnader, inklusive celltyper, cellaktiviteter och cell-till-cell-interaktioner, som aldrig förr."
Det nya tillvägagångssättet är en del av ett större initiativ av forskare och ingenjörer för att skapa effektivare sätt att "se" på mikroskopisk nivå hur organ och vävnader fungerar. De senaste åren har sett betydande framsteg inom forskningen, särskilt när det gäller metoder för profilering av genaktivitet och andra lager av data i enstaka celler eller små grupper av celler. Informationen om de ursprungliga placeringarna av de profilerade cellerna i vävnaderna måste dock återvinnas, eftersom dessa tillvägagångssätt ofta kräver nedbrytning av vävnader och separation av celler från sina grannar. Den nya tekniken registrerar också dessa rumsliga data, och den gör det med utmärkt upplösning.
Metoden bygger delvis på befintlig 10x Genomics-teknologi. Den använder objektglas som lämpar sig för avbildning av vävnadsprover med vanliga mikroskopbaserade patologimetoder, men är också belagd med tusentals speciella sondmolekyler.
Varje sondmolekyls kemiska "streckkod" identifierar dess tvådimensionella plats på objektglaset. Sondmolekylerna på objektglaset tar tag i budbärar-RNA (mRNA), huvudsakligen transkripten av aktiverade gener, från närliggande celler när ett tunt skivat vävnadsprov placeras på objektglaset, görs dess celler permeabla. Designerantikroppar används i proceduren och de fäster vid de unika sondmolekylerna och proteinerna av intresse i vävnaden.
Forskare kan snabbt och automatiskt identifiera insamlade mRNA och valda proteiner och exakt kartlägga dem till deras ursprungliga platser genom hela vävnadsprovet. De producerade kartorna kan betraktas oberoende av varandra eller i jämförelse med provets rutinmässiga patologiavbildning.
På vävnad från en frisk musmjälte använde teamet SPOTS för att visa den intrikata funktionella arkitekturen hos detta organ, inklusive kluster av olika celltyper, deras funktionella tillstånd och hur dessa tillstånd förändrades beroende på cellernas placeringar.
Forskarna använde också SPOTS för att kartlägga cellstrukturen hos en brösttumör från mus, vilket belyser dess potential för användning i cancerforskning. Den genererade kartan visade makrofager och immunceller i två olika tillstånd, var och en indikerad av en annan proteinmarkör: ett tillstånd var aktivt och kämpade mot tumörer, medan det andra var immunsuppressivt och etablerade en barriär för att skydda tumören.
Dr. Landau, onkolog vid NewYork-Presbyterian/Weill Cornell Medical Center, sade, "Vi kunde se att dessa två undergrupper av makrofager finns i olika områden av tumören och interagerar med olika celler - och att skillnaden i mikromiljön troligen driver deras distinkta aktivitetstillstånd."
"Sådana detaljer om tumörens immunmiljö - detaljer som ofta inte kan lösas på grund av att immuncellerna är glesa i tumörer - kan hjälpa till att förklara varför vissa patienter svarar på immunförstärkande terapi och vissa gör det inte, och kan därför informera om utformningen av framtida immunterapier."
"Denna initiala version av SPOTS har en rumslig upplösning så att varje "pixel" i den resulterande datamängden summerar information om genaktivitet för åtminstone flera celler. Men forskarna hoppas snart kunna begränsa denna upplösning till enstaka celler samtidigt som de lägger till andra lager av viktig cellulär information."
Tidskriftsreferens:
- Ben-Chetrit, N., Niu, X., Swett, AD et al. Integration av rumslig profilering av hel transkriptom med proteinmarkörer. Nat Biotechnol (2023). DOI: 10.1038/s41587-022-01536-3
