Neue Methode ermöglicht die Verfolgung der genetischen Aktivität lebender Zellen, ohne sie zu zerstören

Forscher des Broad Institute und des MIT haben eine Methode entwickelt, um die genetische Aktivität lebender Zellen wiederholt zu analysieren, indem sie virusähnliche Partikel verwenden, die RNA exportieren, ohne die Proben zu zerstören.

Die Methode ermöglicht es, aufeinanderfolgende Proben der RNA einer gleichen Zellpopulation zu entnehmen und zu beobachten, wie sie sich im Laufe der Zeit verändert. Die Technik funktionierte bei menschlichen Zellen, Krebszellen, Stammzellen, neuronalen Zellen, primären Zellen und dreidimensionalen Modellen.

Forscher des Broad Institute des MIT und Harvard sowie des Massachusetts Institute of Technology entwickelten eine Methode, die es ermöglicht, die genetische Aktivität lebender Zellen über aufeinanderfolgende Zeiträume hinweg zu verfolgen, ohne sie zerstören zu müssen, um auf ihre RNA zuzugreifen. Der Fortschritt zielt darauf ab, eine zentrale Einschränkung der herkömmlichen Transkriptomik zu lösen: Jede Analyse bietet in der Regel nur ein isoliertes Bild, da die Zelle während der Probenvorbereitung zerbrochen werden muss.

Die in der Zeitschrift Cell beschriebene Technik verwandelt die Zellen selbst in eine Art molekulares Selbstberichtssystem. Anstatt das genetische Material physisch zu extrahieren, entwerfen die Forscher die Zellen so, dass sie einen Teil ihrer RNA in virusähnlichen Partikeln verpacken und sie in das Kulturmedium freisetzen, wo sie gesammelt und sequenziert werden können.

Diese Möglichkeit ist besonders relevant, um Prozesse zu untersuchen, die sich im Laufe der Zeit ändern, wie Zellreifung, Reaktion auf eine Störung oder die Wirkung eines Medikaments. Eine Probe des Mediums kann wiederholt entnommen werden, sodass die Wissenschaftler verschiedene Zeitpunkte einer gleichen Population vergleichen und rekonstruieren können, wie sich ihre genetische Aktivität entwickelt.

Die Arbeit wurde von Mohamad Najia und Jacob Borrajo geleitet, zusammen mit der Hauptautorin Anna Le, einer Postdoktorandin im Labor von Paul Blainey. Blainey, ein Hauptmitglied des Broad und Professor für biologische Ingenieurwissenschaften am MIT, war an der Entwicklung des Projekts beteiligt, das darauf abzielte, nützliche Werkzeuge für andere Forschungsgruppen zu schaffen. Das Team betrachtete die Verwirklichung dieser Idee als das Ergebnis eines risikobehafteten Projekts, das vor mehr als einem Jahrzehnt begonnen wurde.

Die Grundlage des Systems ist von Retroviren inspiriert, die die Fähigkeit entwickelt haben, ihre RNA-Genome in Proteinhüllen zu verpacken, um sie zwischen Zellen zu transportieren. Das Team entwarf Säugetierzellen, um ein retrovirales Strukturprotein auszudrücken, das in der Lage ist, zelluläre RNA zu rekrutieren, eine Hülle um dieses Material zu bilden und sich von der Membran in die Flüssigkeit um die Zelle abzulösen.

Sobald die Partikel freigesetzt sind, müssen die Wissenschaftler nur eine Probe des Kulturmediums entnehmen, die RNA isolieren und sequenzieren. Das Ergebnis bietet eine Darstellung des Transkriptoms der Zellpopulation, ohne auf Verfahren zurückzugreifen, die sie zerstören oder ihre unmittelbare Umgebung erheblich verändern.

Der Vorschlag versucht, die Einschränkungen von Alternativen zu überwinden, die auf Robotik, mechanischen Biopsien oder individueller Zellmanipulation basieren, die in herkömmlichen Laboren schwer skalierbar sein können. Mohamad Najia erklärte, dass eine molekular codierte Lösung das Studium dynamischer und zeitlicher Fragen in Lebenswissenschafts- und biomedizinischen Forschungs-Laboren erleichtern könnte.

Das System entspricht jedoch noch nicht einer perfekten Lesung jeder einzelnen Zelle, da die erhaltenen Signale hauptsächlich der analysierten Population entsprechen. Das Broad-Team arbeitet jedoch daran, den Ansatz auf das Studium einzelner Zellen anzupassen, eine Entwicklung, die die Auflösung der Methode erhöhen und helfen könnte, Subpopulationen mit unterschiedlichen Verhaltensweisen zu unterscheiden.

Um die Breite der Technik zu bewerten, testeten die Forscher sie an immortalisierten menschlichen Zellen, Krebszelllinien, Stammzellen und daraus abgeleiteten neuronalen Zellen. Sie verwendeten auch primäre Zellen von menschlichen Spendern, was es ermöglichte zu überprüfen, dass das System nicht auf Labormodelle mit sehr spezifischen Eigenschaften beschränkt war.

Das Team kultivierte außerdem zwei Arten von menschlichen Zellen gleichzeitig und verwendete virusähnliche Partikelmarkierungen, um die Signale jeder Population während der Analyse zu unterscheiden. Diese Fähigkeit könnte helfen, Wechselwirkungen zwischen Zellen zu untersuchen, solange die Forscher klar den Ursprung der RNA identifizieren können, die in das Medium gelangt.

Eine weitere Demonstration wurde an Sphäroiden menschlicher Endothelzellen durchgeführt, dreidimensionalen Strukturen, bei denen die räumliche Architektur wichtig sein kann, um die genetische Aktivität zu interpretieren. Nach einer biochemischen Stimulation ermöglichte die Methode die Erfassung kurzfristiger transkriptioneller Veränderungen, ohne das Modell zu zerlegen, um seine Zellen zu extrahieren.

Die Forscher arbeiteten auch mit Linda Griffith, Professorin für biologische und mechanische Ingenieurwissenschaften am MIT, zusammen, um das System in Organ-on-a-Chip-Geräten zu testen. In diesen Modellen ermöglichte die Selbstberichterstattung der Zellen die Überwachung der Expression von Genen, die mit der Bildung von Gefäßnetzwerken in Verbindung stehen, deren Veränderungen davon abhingen, ob die unterstützenden Fibroblasten aus der Gebärmutter oder der Lunge stammten.

Organ-on-a-Chip-Modelle zielen darauf ab, Aspekte der menschlichen Physiologie nachzuahmen und können dazu beitragen, die Notwendigkeit präklinischer Tests oder Experimente mit Tiermodellen zu verringern. Ihre Komplexität erschwert jedoch die Extraktion von Zellen, ohne die Struktur des Geräts zu stören, sodass ein Werkzeug, das Signale aus dem Medium erfasst, Informationen liefern könnte, ohne das System zu demontieren.

Das gleiche Prinzip könnte verwendet werden, um zu beobachten, wie eine Zellpopulation auf Medikamente, biologischen Stress oder Reifungssignale reagiert. Anstatt zerstörte Proben aus verschiedenen Gruppen zu vergleichen, könnten die Forscher aufeinanderfolgende Veränderungen in einer Population verfolgen und diese mit dem genauen Zeitpunkt einer Intervention in Verbindung bringen.

Die Technik bietet auch einen Weg, um Krankheiten zu untersuchen, bei denen der zeitliche Verlauf entscheidend ist, obwohl die Mitteilung noch keine klinische Anwendung präsentiert und nicht behauptet, dass die Methode bereit ist, bei Patienten eingesetzt zu werden. Ihre Ergebnisse entsprechen experimentellen Demonstrationen in Zell- und Labor-Modellen, sodass es notwendig sein wird, ihre Genauigkeit, Stabilität und Verhalten in komplexeren Kontexten zu untersuchen.

Das Labor von Blainey sucht weiterhin nach neuen biologischen Anwendungen und arbeitet daran, das Studium einzelner Zellen möglich zu machen. Derzeit bietet der Fortschritt eine andere Möglichkeit, die Transkriptomik zu verstehen: Anstatt die Zelle zu zwingen, ihren Inhalt durch Zerstörung preiszugeben, ermöglicht es, dass sie regelmäßig ein molekulares Signal darüber sendet, was in ihrem Inneren geschieht.

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