Kunnen we single-cell technologie toegankelijker maken?
De analyse van duizenden individuele cellen tegelijkertijd betekent een ware revolutie in het biologisch onderzoek. Doctoraatsstudent Florian De Rop ontwikkelde samen met zijn collega’s een nieuw open-source sequencing platform dat het niet alleen goedkoper maar ook makkelijker maakt om dit soort experimenten uit te voeren. Hij is ervan overtuigd dat de nieuwe methode ervoor zal zorgen dat single-cell technologie steeds breder ingezet zal kunnen worden.
25 maart 2022
25 maart 2022
Wat is single-cell onderzoek?
Dankzij de komst van nieuwe technologie kunnen onderzoekers biologische weefsels met een ongekende resolutie bestuderen, namelijk tot op het niveau van individuele lichaamscellen die slechts een tiental micrometer groot zijn. Waar wetenschappers vroeger noodgedwongen de genen of eiwitten bestudeerden van een hele hoop cellen tegelijkertijd – en dus steeds naar gemiddeldes keken, laten nieuwe analysetechnieken nu toe om veel fijnmaziger te werk te gaan.
Om cellen individueel te kunnen bestuderen, verdelen onderzoekers ze over minuscule druppeltjes. Op die manier wordt elke cel samen met een gelparel met een unieke streepjescode ingekapseld. Deze streepjescodes zijn belangrijk om het genetisch materiaal van elke individuele cel te gaan indexeren en traceren.
Eens geïndexeerd kan het genetisch materiaal van de duizenden afzonderlijke cellen worden samengevoegd en samen worden verwerkt voor sequencing. Op die manier kunnen onderzoekers over de hele wereld de genexpressie van tienduizenden afzonderlijke cellen profileren aan een betaalbare prijs.
Open-source of commercieel
Suresh Poovathingal, microfluïdica-expert aan VIB en KU Leuven. "We zijn de laatste jaren getuige geweest van een ware revolutie op het gebied van single-cell genomics. Dankzij onder andere doorbraken in microfluidica zijn er verschillende commerciële en open-source oplossingen beschikbaar voor onderzoekers die en masse aan single-cell sequencing willen doen."
Prof. Stein Aerts (VIB-KU Leuven): "Verschillende commerciële oplossingen zijn ontwikkeld en met succes toegepast om de genactiviteit van honderdduizenden - en recent miljoenen - cellen te gaan meten. Ze zijn echter niet goedkoop, en hun ‘black box' aanpak bemoeilijkt de ontwikkeling van aanpassingen op maat."
"Er zijn ook open-source protocollen en die zijn beduidend goedkoper," zegt Poovathingal, "maar ook zij hebben hun nadelen: ze zijn nogal arbeidsintensief en veel minder gevoelig dan de commerciële systemen."
Elke druppel telt
Samen met Stein Aerts en Suresh Poovathingal wilden we op zoek gaan naar een manier om de gevoeligheid en gebruiksvriendelijkheid van open-source protocollen te verbeteren en tegelijkertijd een meer flexibel en open platform te creëren. Het resultaat is HyDrop, een nieuwe methode voor high-throughput single-cell sequencing op basis van hydrogel parels.
Hydrogel-parels zijn vervormbaar en kunnen daardoor in de druppeltjes worden geladen met minder gevaar voor obstructie. Daarnaast deden we nog tal van technische aanpassingen in elke stap van het proces, en de combinatie van al deze aanpassingen resulteerde in een aanzienlijk verhoogde gevoeligheid vergeleken met andere open-source methodes, zonder extra kosten met zich mee te brengen. Tegelijkertijd is de uitvoering voor onderzoekers in het labo nu veel makkelijker.
Goedkoper, eenvoudiger en gevoeliger
We testten HyDrop uit door de gen-activiteit van duizenden individuele cellen van muizen, mensen en fruitvliegen te meten. Daaruit bleek dat onze nieuwe methode effectief beter presteerde dan andere open-source methoden.
We zijn ervan overtuigd dat nu dit soort analyses steeds goedkoper en eenvoudiger worden, de nieuwe inzichten en resultaten steeds sneller zullen volgen, ook voor kleinere projecten en in onderzoeksvelden waar single-cell onderzoek tot nu toe een uitzondering bleef.
Onze toolkit zou ook kunnen worden gebruikt om complexere parels te produceren met verschillende barcodes. Dit zou nuttig kunnen zijn om bijvoorbeeld niet alleen het genetisch materiaal van individuele cellen te gaan analyseren, maar ook tegelijkertijd naar de eiwitten in die cel te kijken.
We staan nog maar aan het begin van deze revolutie, die de deur opent naar onderzoek én ook geneeskunde helemaal op maat.
Publicatie
HyDrop enables droplet-based single-cell ATAC-seq and single-cell RNA-seq using dissolvable hydrogel beads
De Rop et al. eLife 2022
Meer over HyDrop