English China
Suchen

Einzelzell-Analyse

Einzigartige Zellen: Computerbasierte Methoden verbessern die Einzelzell-Analyse

Seite: 2/3

Firmen zum Thema

Software analysiert Zeitraffer-Mikroskopiefilme

In Zusammenarbeit mit der ETH Zürich (Schröder Lab) wurde eine frei verfügbare Software entwickelt, die es erlaubt, einzelne Zellen über Wochen zu beobachten und gleichzeitig molekulare Eigenschaften zu messen [2]. Stammzellforscher und Entwicklungsbiologen interessiert beispielsweise, wie sich Stammzellen zu anderen Zelltypen weiterentwickeln. Da sich solche Prozesse aber teilweise über mehrere Tage erstrecken, ist die Beobachtung einzelner Zellen nicht einfach. Die vorgestellte Lösung besteht im Aufzeichnen und Analysieren so genannter Zeitraffer-Mikroskopiefilme. Ein solcher Film besteht aus vielen Einzelbildern. Da sich die Zellen von einem Bild zum anderen nur geringfügig bewegen, können einmal identifizierte Zellen quasi kontinuierlich beobachtet werden.

Die Auswertung der Zeitrafferfilme ist jedoch nicht trivial: Auf der einen Seite müssen genug Bilder aufgenommen werden, um die Zellen nicht aus den Augen zu verlieren, auf der anderen Seite entstehen so enorme Datenmengen mit teilweise Millionen von Bildern. Es geht also darum, diese Datenmengen für die Wissenschaft verwertbar zu machen. Wir haben zwei separate Pakete geschnürt: ein manuelles Trackingtool und ein halbautomatisches Quantifizierungstool für Einzelzellanalysen in Zeitraffer-Mikroskopiefilmen. Beide zusammen erlauben die Messung von Eigenschaften wie etwa Länge des Zellzyklus, die Expressionsdynamik bestimmter Proteine oder Korrelationen dieser Eigenschaften zwischen Schwesterzellen [3].

Bildergalerie

Algorithmus eröffnet Einblicke in die Zelldifferenzierung

Auch um Entwicklungsprozesse von Zellen, zum Beispiel Zelldifferenzierung, besser zu verstehen ist die Einzelzellanalytik eine Bereicherung in der Forschung. Ein Beispiel dafür ist die Bildung verschiedener Typen von Blutzellen aus ihren Vorläufern, den Blutstammzellen. Um zu verstehen, wie dieser Prozess genetisch gesteuert wird, ist die Analyse der abgelesenen Gene, das so genannte Transkriptom, wichtig. Die Tatsache, dass man seit kurzem das Transkriptom einer einzelnen Zelle bestimmen kann, ist für viele Forschungsfelder revolutionär. Jedoch ist wiederum die Herausforderung, diese Daten richtig zu interpretieren – auch hier helfen mathematische und statistische Methoden. In der Entwicklungsbiologie sehen wir beispielsweise, dass nie alle Zellen einer Probe gleichzeitig und synchron auf bestimmte Ereignisse reagieren. Daher brauchen sie auch unterschiedlich lange für bestimmte Entwicklungsschritte. Es handelt sich also um ein dynamisches Gemisch. Aus einem solchen Gemisch einen kontinuierlichen Prozess zu konstruieren, ist schwer, zumal die Zellen nur für eine Messung zur Verfügung stehen. Man misst beispielsweise an einem einzelnen gegebenen Zeitpunkt eine Blutprobe und erhält damit eine Momentaufnahme von einem Gemisch von Zellen aus verschiedenen Entwicklungsstadien. Um die Entwicklungsprozesse aus so einer Momentaufnahme zu rekonstruieren, haben wir einen Algorithmus namens Diffusion Pseudotime entwickelt. Dieser ordnet Zellen auf einer virtuellen Zeitachse – der Pseudozeit – entlang derer sie kontinuierliche Veränderungen im Transkriptom aufweisen. Dadurch lässt sich rekonstruieren, welche Gene nacheinander abgelesen werden. Forscher können damit auch grafisch darstellen, wie sich die Entwicklungspfade unterschiedlicher Zelltypen verzweigen (s. Abb. 2).

Die Forscher konnten so zeigen, wie sich ein relativ einheitlicher Verband von Blutstammzellen zu unterschiedlichen Zelltypen entwickelt. Während die einen zu roten Blutkörperchen werden, differenzieren andere z.B. zu endothelartigen Zellen. Zudem erhalten Wissenschaftler Informationen darüber, welche Genschalter hinter den Entwicklungen stecken. Der relativ diffuse Mix von Zellen, die sich auf verschiedenen Etappen ihrer Entwicklung befanden, kann so also im Computer entwirrt werden und erlaubt nach der Analyse ein klares Bild auf die ablaufenden Einzelschritte.

Das Ziel der Helmholtz-Experten ist es, die entwickelten Methoden für die Entschlüsselung weiterer Prozesse zu nutzen, die bisher wenig verstanden oder unentdeckt sind. Die bisherigen Erfolge zeigen, dass sie damit vielversprechende Werkzeuge geschaffen haben, die ein breites Anwendungsspektrum besitzen und die wissenschaftliche Forschung enorm bereichern können.

(ID:44273607)