Wissenschaftler entwickeln eine neue Methode und ein neues Gerät, um einzelne Zellen mithilfe elektrischer Felder zu isolieren

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Wissenschaftler entwickeln eine neue Methode und ein neues Gerät, um einzelne Zellen mithilfe elektrischer Felder zu isolieren

In der Krebsforschung kommt es auf eine einzige Zelle an.

In den letzten zehn Jahren haben sich Krebsforscher darauf konzentriert, dass eine einzelne Zelle eines Tumors verwendet werden kann, um molekulare Analysen durchzuführen, die wichtige Hinweise darauf geben, wie der Krebs entstanden ist, wie er sich ausbreitet und wie er angegriffen werden kann.

Vor diesem Hintergrund hat ein Forscherteam der Brown University eine fortschrittliche Methode zur Isolierung einzelner Zellen aus komplexen Geweben entwickelt. In einer Studie veröffentlicht in Wissenschaftliche BerichteSie zeigen, dass der Ansatz nicht nur zu qualitativ hochwertigen intakten Einzelzellen führt, sondern auch Standard-Isolierungsmethoden in Bezug auf Arbeitsaufwand, Kosten und Effizienz überlegen ist.

Die Herausforderung bestand darin, eine Technologie zu entwickeln, die es Forschern ermöglichen würde, Zellen schneller und einfacher aus biopsiertem Krebsgewebe zu isolieren, um sie für die Analyse vorzubereiten, sagte Anubhav Tripathi, Studienautor und Direktor für biomedizinische Technik bei Brown.

„Aus technologischer Sicht gibt es derzeit nichts Vergleichbares auf dem Markt“, sagte Tripathi. „Diese Technologie wird für diejenigen nützlich sein, die Antworten mithilfe von Genomik, Proteomik und Transkriptomik suchen – sie wird nicht nur diese diagnostischen und therapeutischen Untersuchungen erleichtern, sondern den Forschern auch Zeit und Mühe sparen.“

Tripathi fügte hinzu, dass die Technologie über klinische Anwendungen hinaus in biomedizinischen Anwendungen wie Gewebezüchtung und Zellkultur nützlich sein wird.

Bei der Einzelzellanalyse werden fortschrittliche Sequenzierungstechniken verwendet, um genetische Profile einzelner Zellen zu erhalten. Dies gilt insbesondere für Krebsgewebe, wo seltene Mutationen zu Metastasen und behandlungsrelevanten Ergebnissen führen können. Eine große Einschränkung der klinischen Umsetzung der Einzelzellanalyse ist die Schwierigkeit, einzelne Zellen aus komplexen Geweben zu isolieren, sagte Co-Autor Nikos Tapinos, außerordentlicher Professor für Neurochirurgie und Neurowissenschaften an der Brown University.

Tapinos beschrieb einen typischen Arbeitsablauf am Beispiel eines Hirntumors: In einem Operationssaal würde ein Stück des Tumors entfernt und in ein Labor gebracht. Dort würden Forscher einen Prozess mit Enzymen verwenden, um Nukleinsäuren aus großen Gewebeproben zu extrahieren und dann eine genetische Massensequenzierung durchzuführen.

Dieser Prozess führt zu einer niedrigen Auflösung und möglicherweise ungenauen Genauslesungen und einer schlechten Erkennung seltener Zelltypen, sagte Tapinos. Die Folgen des Verlusts dieser Informationen können tiefgreifend sein, stellte er fest, einschließlich der Möglichkeit einer Fehldiagnose des Patienten, was zu einer erheblichen Verzögerung zwischen der Entfernung des Tumors aus dem Patienten und der Bereitstellung der Zellen für die RNA-Sequenzierung führen würde.

„Es besteht ein enormer Bedarf an einer Technologie, die innerhalb von Minuten Gewebe vom Patienten entfernen kann, ergibt lebensfähige und gesunde Einzelzellen, aus denen RNA isoliert werden kann“, sagte Tapinos. „Dieser neue Prozess macht genau das.

Die Vorteile von Elektrizität gegenüber Enzymen

Bei dem neuen Verfahren wird eine Gewebebiopsie in einem mit Flüssigkeit gefüllten Gefäß zwischen zwei parallele Flachelektroden eingebracht. Anstelle von Enzymen werden elektrische Feldschwankungen angelegt, um in der Flüssigkeit Gegenkräfte zu erzeugen. Diese Kräfte bewirken, dass sich die Gewebezellen in eine Richtung und dann in die entgegengesetzte Richtung bewegen, wodurch sie sich trennen oder sauber voneinander trennen.

Dieser Ansatz wurde von der Studienautorin Cel Welch, einer Brown Ph.D. im vierten Jahr, erfunden. Kandidat in Biomedizintechnik im Labor von Tripathi.

„Dr. Tripathi hat in seinem Labor viel mit elektrischen Feldern und Mikrofluidik gearbeitet“, sagte Welch. „Nachdem wir gesehen hatten, wie elektrische Felder in anderen diagnostischen Anwendungen verwendet werden könnten, kamen wir auf die Idee, etwas Einzigartiges mit dem elektrischen Feld zu machen, das noch nie zuvor gemacht wurde. Basierend auf dem Forschungskorpus zur Manipulation biologischer Partikel formulierten wir eine Hypothese darüber, wie es funktionieren würde.“

Das neue Verfahren führte zu einer Dissoziation von Biopsiegewebe in nur 5 Minuten, dreimal schneller als führende enzymatische und mechanische Techniken, die von Tripathi und Welch in einer früheren Studie beschrieben wurden.

Der Ansatz führte auch zu „einer guten Gewebedissoziation in einzelne Zellen bei gleichzeitiger Erhaltung der Zelllebensfähigkeit, Morphologie und des Fortschreitens des Zellzyklus, was auf die Nützlichkeit für die Probenvorbereitung von Gewebeproben für die Einzelzellanalyse hindeutet“, schloss die Studie.

Laut den Forschern ist der neue Ansatz mindestens 300 % effizienter als selbst die optimiertesten Techniken mit gleichzeitiger chemischer und mechanischer Dissoziation.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens, so Welch, ist die Kompaktheit des von ihnen entwickelten Geräts: „Im traditionellen Arbeitsablauf müssen Sie mehrere verschiedene Laborinstrumente verwenden, wie z. B. ein Zentrifugationsinstrument, die jeweils mehrere tausend Dollar kosten. Zellprobenvorbereitung benötigt nur ein Gerät.“

Das Forschungsteam hat mit Unterstützung von Brown Technology Innovations, dem Technologietransferbüro der Universität, eine US-amerikanische und weltweite Patentanmeldung für das Gerät und die zugehörige Methodik eingereicht.

Die in der Studie verwendeten Proben waren Rinderlebergewebe, dreifach negative Brustkrebszellen und menschliches klinisches Glioblastomgewebe. Das Forschungsteam verfeinert derzeit die Technologie und entwickelt ein Gerät, mit dem mehrere verschiedene Arten von Gewebebiopsieproben in kleinem Maßstab schnell und effizient gleichzeitig und zu sehr geringen Kosten verarbeitet werden können.

Die neue Studie erklärte die wissenschaftliche Grundlage für den Prozess, sagte Welch. „Jetzt arbeiten wir an einem neuen Gerät, das speziell darauf ausgerichtet ist, dieses hochoptimierte System zur Nutzung dieses physikalischen Phänomens zu schaffen.“

„Ein Forscher wird in der Lage sein, einfach einen Knopf zu drücken und innerhalb von Minuten die einzelnen Zellen zu haben, die er für die Analyse benötigt“, sagte Tapinos. „Es ist wirklich unglaublich.“

Harry Yu, Absolvent der Brown University, und Gilda Barabino, Präsidentin des Franklin W. Olin College of Engineering, trugen ebenfalls zu dieser Forschung bei. Die Arbeit wurde durch Mittel von PerkinElmer unterstützt, wo Tripathi als bezahlter wissenschaftlicher Berater/Berater und Dozent tätig ist.