Исследователи Массачусетского технологического института разработали портативную технологию, которая может быстро подготовить РНК многих клеток для одновременного секвенирования, что, по их мнению, позволит более широко использовать этот подход. Новая технология, известная как Seq-Well, может позволить ученым более легко идентифицировать различные типы клеток, обнаруженные в образцах тканей, помогая им изучать, как иммунные клетки борются с инфекцией и как раковые клетки реагируют на лечение, среди других приложений.«Вместо того, чтобы пытаться выбрать один маркер, который определяет тип клетки, используя секвенирование одноклеточной РНК, мы можем пойти и посмотреть на все, что клетка выражает в данный момент. Находя общие закономерности в клетках, мы можем выяснить, кто эти клетки есть, — говорит Алекс К. Шалек, доцент кафедры медицинских наук и технологий Германа Л.Ф. фон Гельмгольца, доцент кафедры химии и член Института медицинской инженерии и науки Массачусетского технологического института.
Шалек и его коллеги потратили последние несколько лет на разработку стратегий секвенирования одноклеточной РНК. В новом исследовании он объединился с Дж. Кристофером Лавом, доцентом кафедры химической инженерии Института интегративных исследований рака Массачусетского технологического института им. Коха, чтобы создать новую версию технологии, которая может быстро анализировать большое количество клеток с очень простым оборудованием. .«Мы объединили его технологии с некоторыми из наших таким образом, чтобы сделать его действительно доступным для исследователей, которые хотят выполнить этот тип секвенирования на различных клинических образцах и условиях», — говорит Лав. «Он преодолевает некоторые препятствия, с которыми сталкивается внедрение этих методов в более широком смысле».
Лав и Шалек — старшие авторы статьи, описывающей новую технику, в выпуске журнала Nature Methods от 13 февраля. Ведущими авторами статьи являются научный сотрудник Тодд Гиран и аспиранты Марк Х. Уодсворт II и Трэвис К. Хьюз.
Быстрый анализБольшинство клеток человеческого тела экспрессируют только часть генов, содержащихся в их геноме. Эти гены копируются в молекулы информационной РНК, также известные как транскрипты РНК, которые направляют клетки для создания определенных белков.
Профиль экспрессии генов каждой клетки варьируется в зависимости от ее функции.Секвенирование РНК из многих отдельных клеток образца крови или ткани предлагает способ различать клетки на основе паттернов экспрессии генов.
Это дает ученым возможность определить функции клеток, в том числе их роль в заболевании или ответ на лечение.Ключом к секвенированию больших популяций клеток является отслеживание транскриптов РНК из какой клетки.
Самые ранние методы для этого требовали сортировки клеток по отдельным пробиркам или отсекам многолуночных планшетов, а затем отдельное преобразование каждой в библиотеку секвенирования.Этот процесс работает хорошо, но не может обрабатывать большие образцы, содержащие тысячи клеток, такие как образцы крови или биопсии тканей, и стоит от 25 до 35 долларов за клетку. Шалек и другие недавно разработали микрофлюидные технологии, которые помогают значительно автоматизировать и распараллелить процесс, но из-за необходимого количества оборудования его невозможно легко транспортировать.
Шалек и Лав, которые вместе работали над другими проектами, поняли, что технология, которую Лав ранее разработала для анализа секреции белков из отдельных клеток, может быть адаптирована для быстрого и недорогого секвенирования одноклеточной РНК с помощью портативного устройства.За последние несколько лет лаборатория Лава разработала микромасштабную систему, которая может изолировать отдельные клетки и измерять антитела и другие белки, которые секретирует каждая клетка. Устройство напоминает крошечный лоток для кубиков льда с отдельными отсеками для каждой ячейки.
Лав также разработал процесс, известный как микрогравирование, в котором эти лотки, которые могут вместить десятки тысяч клеток, используются для измерения секреции белка каждой клеткой.Чтобы использовать этот подход для секвенирования РНК, исследователи создали массивы нанолунок, каждая из которых захватывает одну клетку, а также бусину со штрих-кодом для захвата фрагментов РНК. Нанолунки герметизированы полупроницаемой мембраной, которая позволяет проходить химическим веществам, необходимым для разрушения клеток, в то время как РНК остается внутри.
После связывания РНК с гранулами ее удаляют и секвенируют. При использовании этого процесса стоимость одной ячейки составляет менее 1 доллара США.Раскрытие неизвестногоПодобно предыдущим методам секвенирования РНК одной клетки, процесс Seq-Well захватывает и анализирует от 10 до 15 процентов от общего числа транскриптов РНК на клетку.
«Это все еще очень богатый набор информации, который соответствует нескольким тысячам генов», — говорит Лав. «Если вы посмотрите на наборы этих генов, вы сможете начать понимать идентичность этих клеток на основе наборов генов, которые экспрессируются совместно».В этой статье исследователи использовали Seq-Well для анализа иммунных клеток, называемых макрофагами, которые были инфицированы туберкулезом, что позволило им идентифицировать различные ранее существовавшие популяции и реакции на инфекцию. Шалек и сотрудники его лаборатории также привезли эту технологию в Южную Африку и проанализировали там образцы тканей больных туберкулезом и ВИЧ.«Я думаю, что наличие простой системы, которую можно использовать повсюду, будет невероятно расширять возможности», — говорит Шалек.
Лаборатория Лава сейчас использует этот подход для анализа иммунных клеток людей с пищевой аллергией, что может помочь исследователям определить, почему некоторые люди с большей вероятностью будут хорошо реагировать на терапию, предназначенную для лечения их аллергии. «В отношении хронических заболеваний еще много неизвестного, и эти типы инструментов помогут вам раскрыть новые идеи», — говорит Лав.Исследовательская группа также объединила усилия с клиническими исследователями онкологического центра Дана-Фарбер / Гарвард, чтобы применить эту технологию для открытия новых комбинированных иммунотерапевтических средств для лечения рака в рамках партнерства Bridge Project.