De levende wereld bestaat uit een verbazingwekkende verscheidenheid aan cellen, en veel van deze diversiteit blijft onzichtbaar tenzij je echt op zoek gaat. Hoewel het identificeren van de kenmerken van verschillende cellen steeds eenvoudiger is geworden dankzij de vooruitgang in microscopie, moeten wetenschappers ook in staat zijn om cellen te isoleren die er anders uitzien en zich anders gedragen dan andere om ze verder te bestuderen.
Sinds de jaren zeventig heeft een techniek genaamd fluorescentie-geactiveerd celsorteren (FACS) dit mogelijk gemaakt, waarbij onderzoekers cellen kunnen isoleren op basis van eenvoudige eigenschappen, zoals de aanwezigheid van specifieke eiwitten op hun oppervlak of DNA-inhoud. Vorig jaar hebben EMBL-wetenschappers, in samenwerking met BD Biosciences, FACS een van de grootste upgrades gegeven sinds het ontstaan ervan.
- Celsortering is van groot belang in verschillende onderzoeksgebieden, zoals het begrijpen van hartaandoeningen, het bestuderen van fasescheiding en het onderzoeken van planktondynamiek;
- Met celsorteertechnieken, zoals fluorescentiegeactiveerd celsorteren (FACS) en microfluïdisch sorteren, kunnen onderzoekers specifieke celpopulaties isoleren en hun kenmerken en functies analyseren;
- Deze technieken dragen bij aan onderzoek naar hartaandoeningen door de identificatie van zeldzame celtypen en de verkenning van cellulaire interacties mogelijk te maken, wat uiteindelijk ons begrip van de ziekte heeft verbeterd.
In een gezamenlijke publicatie in 2022 beschreven EMBL-onderzoekers onder leiding van Lars Steinmetz, Sara Cuylen-Hãring en medewerkers van BD Biosciences en ondersteund door de Flow Cytometry Core Facility een methode om snel momentopnamen van cellen te maken en deze beelden te gebruiken om celpopulaties te isoleren op basis van complexe kenmerken, zoals hun vorm en de specifieke locatie van eiwitten binnen cellen. Het vastleggen van met een microscoop vergelijkbare beelden met een dergelijk detailniveau en met deze zeer hoge snelheid was nog nooit eerder mogelijk geweest.
Sindsdien is de technologie, die image-enabled cell sorting (ICS) wordt genoemd, op grote schaal toegepast op het EMBL, met ondersteuning van de Flow Cytometry Core Facility, en gebruikt om de grenzen van de wetenschappelijke kennis te verleggen. Wetenschappers van de groepen Steinmetz, Cuylen en Pepperkok hebben ICS ingezet om genregulatie in ziektetoestanden te begrijpen, fasescheiding in cellen te bestuderen en nieuwe planktonpopulaties te isoleren, naast vele andere toepassingen.
“We zijn nu in staat om experimenten uit te voeren waar we voor de ontwikkeling van ICS alleen maar van konden dromen,” zegt Lars Steinmetz, Dieter Schwarz Foundation Professor en Associate Group Leader. “Onze studie in Science en het lopende werk zijn voorbeelden van hoe enorme sprongen in technologie, mogelijk gemaakt door EMBL’s kernfaciliteiten, volledig nieuwe richtingen openen om ons begrip van celfuncties te versnellen, en wat dat betekent voor gezondheid en ziekte.”
De routes van hartaandoeningen onderzoeken
Voor de Steinmetz-groep ligt de kracht van ICS in de hoge verwerkingscapaciteit. Door de schaalvergroting kunnen ze genetische onderzoeken die voorheen weken of maanden duurden, nu in een paar uur of dagen uitvoeren. Het team gebruikt deze methode momenteel om moleculaire routes die bijdragen aan de ontwikkeling van verschillende soorten ziekten, zoals hartziekten, cel voor cel en duizenden cellen per seconde te ontleden.
“Bij veel ziekten, zoals hart- en vaatziekten en neurodegeneratieve ziekten, is er sprake van lokalisatie of aggregatie van eiwitten op plaatsen in de cel waar ze niet horen te zijn,” zegt Daniel Schraivogel, hoofdauteur van het onderzoek uit 2022 en onderzoeksmedewerker in de Steinmetz Groep. “ICS kan ons helpen om uit te zoeken welke cellulaire routes betrokken zijn bij het aansturen van eiwitmislokalisatie tijdens ziekte en om genen en medicijnen te identificeren die dit kunnen terugdraaien.”
Hiervoor gebruikt het team twee benaderingen. De eerste bestaat uit reusachtige mutatiebibliotheken van normale cellen waarin specifieke genen selectief zijn uitgeschakeld. Door te testen op de lokalisatie van eiwitten kunnen wetenschappers achterhalen welke genen ziekteachtige kenmerken geven wanneer ze verloren gaan. De tweede benadering werkt omgekeerd: het team voert soortgelijke onderzoeken uit op cellulaire modellen van hart- en vaatziekten om te controleren of de verstoring van bepaalde genen een ziektefenotype kan terugdraaien.
“Door deze twee benaderingen te gebruiken, kunnen we zowel de genetische basis voor ziekte begrijpen als of deze kan worden omgekeerd. Dit helpt ons bij het identificeren van aanvullende doelwitten voor medicijnen en therapeutische benaderingen voor de behandeling van hartziekten,” aldus Steinmetz.
ICS gebruiken om fasescheiding te begrijpen
Voor de Cuylen Groep helpt ICS bij het begrijpen van fundamentele cellulaire processen zoals celdeling of celorganisatie. Alle cellen hebben bijvoorbeeld bepaalde organellen die niet membraangebonden zijn, zoals de nucleolus. Recente studies hebben aangetoond dat deze organellen zonder membraan zich assembleren door vloeistof-vloeistof fasescheiding, vergelijkbaar met hoe olie en water zich van elkaar scheiden in een oplossing. Gezien de vloeistofachtige eigenschappen van deze organellen en de cellulaire omgeving, is het een mysterie hoe deze organellen hun structurele organisatie behouden.
“Het is een opkomend gebied,” zegt Sara Cuylen-Häring, groepsleider. “We weten heel weinig over de regulatoren van fasescheiding. Met deze nieuwe technologie kunnen we onbevooroordeelde genoombrede schermen uitvoeren om te zien welke moleculen of routes specifieke membraanloze organellen kunnen reguleren.” Dit zou moeilijk te realiseren zijn met traditionele FACS, omdat de fenotypes die bestudeerd worden alleen goed geanalyseerd kunnen worden door middel van beeldvorming.
De Cuylen Groep is ook geïnteresseerd in celdeling (mitose). Met ICS kunnen wetenschappers levende cellen isoleren in verschillende stadia van dit proces, die vervolgens kunnen worden onderzocht met verschillende krachtige analytische technieken zoals proteomics.
“Voor het eerst kunnen we duizenden cellen verzamelen in zeer zeldzame stadia van de mitotische celcyclus”, zegt Cuylen-Häring. “De snelheid en specificiteit maken het een ideale aanpak om zeldzame cellulaire gebeurtenissen of fenotypes te onderzoeken.
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
