Новый метод, о котором сообщалось на этой неделе в Science преодолевает некоторые ограничения типичных высокопроизводительных химических экранов, проводимых на образцах клеток. Такие экраны обычно используются, чтобы попытаться обнаружить новые лекарства от рака, и во многих других биомедицинских применениях.

Большинство современных скринингов такого типа предлагают либо грубое считывание, такое как выживание клеток, пролиферацию или изменения в форме клеток, либо только определенную молекулярную находку, такую ​​как проверка, заблокирован ли конкретный фермент.

Из-за огромного разрыва между этими крайностями большинство анализов обычно пропускают тонкую экспрессию генов или изменения состояния клеток, которые могут раскрыть механизмы, запускаемые внутри нарушенных клеток. Такие анализы могут также не обнаружить нюансы, которые могут указывать на неожиданные побочные эффекты тестируемых лекарств, или различные реакции генетически идентичных клеток на одно и то же лекарство, или почему клетки становятся устойчивыми к лечению, которое ранее работало хорошо. Чтобы устранить эти ограничения, исследовательская группа, представляющая многие области, совместно разработала более информативную технику.

Эта технология фактически занимает нишу между двумя распространенными видами анализа. Вы можете получить своего рода глобальный взгляд на клеточные ответы. Мы думаем, что будет действительно полезно классифицировать наркотики, например, и сказать, каков их механизм ».

Санджай Р. Шриватсан, ведущий научный сотрудник, доктор медицинских наук / доктор философии. студент программы подготовки медицинских ученых в Медицинском университете Вашингтонского университета в Сиэтле

Новая технология сочетает в себе улучшения в маркировке ядер клеток с достижениями в профилировании того, какие гены экспрессируются в каждой из миллионов клеток. Это было достигнуто с разрешением в одну ячейку и экономически эффективным способом. Они назвали новый метод скрининга sci-Plex.

В онлайн-издании Science от 5 декабря исследователи сообщают о своих проверенных концепциях. Ведущими авторами статьи, помимо «Шриватсана», являются Хосе Л. Макфалин-Фигероа, аспирант по геномным наукам в медицинской школе UW; и Виджай Рамани, бывший аспирант UW по геномным наукам, который в настоящее время является научным сотрудником факультета Sandler в Калифорнийском университете.

Старшими исследователями были Коул Трапнелл, доцент Медицинского факультета UW, научный сотрудник Института точной медицины имени Бротмана Бэти в Сиэтле, и Джей Шендюр, профессор медицинского факультета UW в медицинском институте UW и научный руководитель Институт Бротмана Баты. Шендур также является следователем Медицинского института Говарда Хьюза и руководит Центром исследований по изучению клеточного происхождения в Институте Аллена в Университете UW Medicine.

«Техника sci-Plex позволяет нам объединять множество генетически различных клеток и видеть, что происходит со многими отдельными клетками, поскольку они возмущены разными способами», – сказал Трапнелл. «Затем мы собираем все данные вместе и анализируем их с использованием современных инструментов машинного обучения и науки о данных, чтобы понять, что каждый из этих препаратов делает с клетками».

Чтобы оценить sci-Plex, исследователи применили его к экрану с использованием трех видов линий раковых клеток (лейкемии, рака легких и рака молочной железы), обработанных 180 соединениями для лечения рака, ВИЧ и аутоиммунных заболеваний. Клетки были помечены с помощью ядерного хэширования небольших одиночных нитей ДНК. Это хеширование идентифицирует различные клетки и позволяет ученым картировать, какие клетки получили какое лекарство. Всего лишь в одном эксперименте исследователи измерили экспрессию генов в 650 000 отдельных клеток из более чем 5000 независимо обработанных образцов.

Результаты показали существенные различия в способах реакции некоторых раковых клеток на специфические соединения. Они также выявили общие закономерности между клетками в отношении других химических семейств, а также некоторые свойства, которые отличают лекарства в химическом семействе. Исследователи более глубоко изучили механизм действия одного класса противораковых препаратов – ингибиторов HDAC. Они увидели, что регуляторные изменения гена соответствовали предположению, что эти ингибиторы остановили пролиферацию раковых клеток, блокируя доступ к источнику энергии.

Описывая другой аспект исследования, Шривистан сказал: «Было действительно здорово, что мы могли использовать профили экспрессии генов для категоризации действия лекарств. При изменении дозы более четырех порядков мы могли наблюдать плавное увеличение клеточный ответ. "

В целом, исследование sci-Plex показало, что его можно масштабировать до тысяч образцов, чтобы нацеливаться на различные биохимические пути, катализаторы, регуляторы и способы действия.

«Некоторые из этих работ могут относиться к лечению болезней, помогая медицинским исследователям понять, как определенные лекарства оказывают свое воздействие, как клеточная стадия влияет на эффективность и почему некоторые лекарства действуют на некоторые клетки, но не на другие», Сказал Трапнелл.

«Врачи также дают многим людям одну и ту же горстку лекарств, и они работают для некоторых людей, а не для других», – добавил Трапнелл. «Потенциально sci-Plex может помочь нам лучше понять, почему это так».

Трапнелл сказал, что он считает, что sci-Plex может быть полезным инструментом для точной медицины: «В конечном счете, когда кто-то заболевает раком, мы хотим убить всю опухоль, все клетки, а не только некоторые клетки. Так что понимание почему некоторые отдельные клетки реагируют на лекарство одним способом, а другие реагируют по-разному, крайне важно для разработки методов лечения, которые будут полностью эффективными ».

Исследователи отметили, что

явным преимуществом sci-Plex является то, что он может различать влияние соединения на подгруппы клеток. В дополнение к тем, которые составляют опухоли, такие подмножества могут также включать лабораторные модели жизни, такие как перепрограммированные клетки, органоиды и синтетические эмбрионы.

Исследователи полагают, что простота и низкая стоимость хеширования ядер в сочетании с гибкостью и масштабируемостью их методов для секвенирования отдельных клеток может дать Sci-Plex множество фундаментальных исследований и практических применений в биомедицине. Например, это может помочь в создании всеобъемлющего атласа клеточных ответов на фармацевтические вмешательства.

«Это очень обобщенная стратегия», – сказал Шриватсан. «Его можно проводить с реагентами, которые может приобрести любой ученый, и его можно использовать разными способами».

Трапнелл согласился. «Меня действительно интересует, как научное сообщество по одноэлементной геномике подхватывает это из-за того, чего мы не ожидали. Это происходит постоянно в нашей области. Разработчики технологий и экспериментальные биологи переделывают методы разными способами, которые разработчики оригинала не представляли. "

Работа над sciPlex финансировалась Национальными институтами здравоохранения (гранты DP1HG007811, R01HG006283), W.M. Фонд Кека и группа пограничников Пола Аллена.

Трое из ученых этого проекта, ни один из которых не назван в этом пресс-релизе, заявили о своей финансовой заинтересованности в форме владения акциями и найма в Illumina, Inc. Один или несколько патентов, поданных Illumina или UW, могут основываться на этом. работа.