Forskare vid universitetet i Zürich har utvecklat en ny metod för att analysera celler och deras komponenter som kallas iterativ indirekt immunofluorescensavbildning (4i). Denna innovation förfinar avsevärt standardimmunofluorescensavbildningstekniken som används inom biomedicin och ger kliniker en enorm mängd data från varje enskilt prov. 4i gör det möjligt att observera den rumsliga fördelningen av minst 40 proteiner och deras modifieringar i samma cell för hundratusentals celler samtidigt på olika nivåer, från vävnaden ner till organellnivån.

Tio gånger fler proteiner visualiseras samtidigt

"4i är den första bildtekniken som ger oss en multiplexerad vävnad-till-organell bild av biologiska prover. Vi kan, för första gången, länka multiplexerad information från vävnaden, cellulär och subcellulär nivå i ett och samma experiment, säger Gabriele Gut, huvudförfattare till studien och postdoktor vid Institute of Molecular Life Sciences vid UZH.

Immunfluorescens (IF) använder antikroppar för att visualisera och lokalisera proteiner i biologiska prover. Medan standardmetoden IF vanligtvis markerar tre proteiner, 4i använder vanliga antikroppar och konventionella fluorescensmikroskop för att visualisera tio gånger fler proteiner genom iterativ hybridisering och avlägsnande av antikroppar från provet. "Föreställ dig att cellbiologer är journalister. Varje experiment är en intervju med våra celler. Med konventionella IF, Jag kan ställa tre frågor, medan med 4i, Jag kan ha en diskussion om mer än 40 ämnen, " förklarar Gabriele Gut.

Karta ger systematisk undersökning av cellulära landskap

När den väl förvärvats, den enorma mängden data måste sedan analyseras – nästa hinder för forskarna. "Vi genererade bilder med subcellulär upplösning för tusentals celler för 40 kanaler för mer än 10 behandlingstillstånd. Det mänskliga ögat och hjärnan kan inte bearbeta den biologiska komplexiteten som samlas in av 4i."

För att utnyttja 4i-data fullt ut, Gabriele Gut utvecklade ett nytt datorprogram för visualisering och analys som kallas multiplexade proteinkartor. Den extraherar den multiplexerade fluorescenssignalen för miljontals pixlar och genererar en abstrakt men representativ karta över den multiplexerade proteinfördelningen i celler.

Forskarna kunde därmed generera en systematisk undersökning av det cellulära landskapet:De lyckades visualisera den rumsliga intracellulära organisationen av de flesta däggdjursorganeller längs cellcykeln och i olika mikromiljöer.

Framskridande precisionsmedicin

Applikationerna för 4i och multiplexade proteinkartor är många, allt från grundforskning till precisionsmedicin. "Vi hoppas att 4i och multiplexade proteinkartor kommer att hjälpa forskare att bättre förstå processer som har stått i centrum för biologisk forskning i decennier, säger Gut. Samtidigt, forskarna planerar att använda dessa teknologier för att flytta fram gränserna för precisionsmedicin, särskilt vid cancerdiagnostik och val av terapi.

Ny metod tillämpas redan inom tumörterapi

Den nya iterativa analysmetoden för indirekt immunfluorescensavbildning (4i) kan också användas för att bestämma effekterna av farmakologiska substanser på cellers organisation och fysiologi. Det används för närvarande i ett translationellt forskningssamarbete med kliniker och ett läkemedelsföretag i syfte att förbättra behandlingsresultatet för cancerpatienter. Lucas Pelkmans, professor vid Institutet för molekylära livsvetenskaper vid UZH, och hans forskargrupp syftar till att karakterisera tumörceller hos patienter som har behandlats med olika cancerläkemedel. Forskarna hoppas att labbresultaten ska ge information för att stödja kliniskt beslutsfattande för individuell behandling av patienter. Dessutom, forskarna planerar att implementera 4i och multiplexade proteinkartor på vävnadssnitt av tumörer för att identifiera relevanta biomarkörer och därmed förbättra diagnoser och prognoser för cancerpatienter.