زیست شناسی فضایی وضعیت فعلی هنر و آنچه در آینده در راه است

توسط جفری هوملکه، دکترا

بیوتکنولوژی در قرن بیست و یکم در حال به بار آوردن میوه ای است که در ابتدای پروژه ژنوم انسانی بیش از دو دهه پیش وعده داده شده بود. حجم عظیمی از اطلاعات به دست آمده از آن و پروژه های ژنوم گونه های بعدی باعث پیشرفت های گسترده ای در زیست شناسی مولکولی، از جمله تنظیم ژن و اپی ژنتیک شده است.

پیشرفت‌های موازی در قدرت محاسباتی با افزایش عظیم اطلاعات زیست‌شناسی مولکولی همراه شده است و توانایی محققان را برای تجزیه و تحلیل مقادیر فراوان داده تسهیل می‌کند. ترکیب هم افزایی اطلاعات بیولوژیکی و قدرت محاسباتی نه تنها به سرعت درک ما از سیستم های بیولوژیکی را ارتقا می دهد، بلکه عصر جدیدی از پزشکی دقیق را آغاز می کند.

افزایش داده های ژنومی و قدرت محاسباتی شتابان به پرورش این زمینه کمک کرد زیست شناسی فضایی. زیست شناسی فضایی که به سرعت تبدیل به ابزاری حیاتی برای پیشرفت سریع پزشکی دقیق می شود، به کشف اسرار تأثیر محیط سلولی محلی بر عملکرد و رفتار سلول های فردی کمک می کند.^1،2

برای کشف اسرار زیست شناسی تک سلولی و زیر سلولی، شرکت هایی مانند NanoString Technologies پلت فرم های زیست شناسی فضایی را توسعه داده اند که می تواند مولکول ها را تا وضوح تک سلولی و درون سلولی مشخص کند. چنین وضوح دقیق تنظیم شده برای تعریف سطح بیان ژن پایه و وابسته به شرایط در انواع مختلف سلول در بافت های سالم و بیمار بسیار مهم است. دانش گسترده تر از بیولوژی مولکولی بافت سالم امکان شناسایی قابل اعتماد تفاوت های مربوطه را در هنگام تغییر محیط بافت، به ویژه در مورد تومورها، فراهم می کند.

از آنجایی که محیط های بافتی خاص به انواع سلول های موجود، نزدیکی آنها به یکدیگر و زمان سیگنال ها بستگی دارد، توانایی به دست آوردن درک دقیق تری از زمینه فضایی رویدادهای مولکولی در بافت های دست نخورده بسیار مهم است. زیست شناسی فضایی تجسم و کمی سازی آن زمینه را فراهم می کند.

مجموعه ای از راه حل ها

مجموعه راه‌حل‌های زیست‌شناسی فضایی NanoString شامل تصویرساز مولکولی فضایی CosMx (SMI)، نمایه‌گر فضایی دیجیتال GeoMx® (DSP) و یک ابزار تحلیل یکپارچه، پلت‌فرم انفورماتیک فضایی AtoMx (SIP) است. این فناوری‌ها که قادر به تعیین کمیت بیان RNA یا پروتئین از نواحی بافتی تا وضوح درون سلولی هستند، ظرفیت تکنیک‌های مرسوم – هیبریداسیون درجا (ISH) و ایمونوفلورسانس (IF) – را با استفاده از گردش‌های کاری خودکار و فعال کردن مولتیومیک با پیچیدگی بالا در FFPE یا FFPE افزایش می‌دهند. نمونه بافت تازه منجمد

پلتفرم‌های CosMx SMI و GeoMx DSP NanoString همچنین دارای انفورماتیک یکپارچه هستند که زمان لازم برای جمع‌آوری اطلاعات از نمونه‌های بافت گرانبها را کاهش می‌دهد. مجموعه پلتفرم‌های زیست‌شناسی فضایی NanoString دانشمندان را قادر می‌سازد تا از تمام اطلاعات موجود از هر نمونه استفاده کنند.

جدیدترین ابزار در زنجیره تحلیل فضایی NanoString، CosMx SMI، بالاترین سطح وضوح سلولی را در بالاترین plex موجود فراهم می‌کند. CosMx SMI فناوری GeoMx DSP را با استفاده از بارکدهای مولکولی فلورسنت در چرخه های متعدد هیبریداسیون اسید نوکلئیک بر روی نمونه های بیولوژیکی سالم برای اندازه گیری سطوح RNA و پروتئین گسترش می دهد، سپس با استفاده از تصویربرداری با وضوح بالا، تعریف تک سلولی و وضوح درون سلولی را پوشش می دهد. و تقسیم سلولی چند آنالیتی (شکل 1).

CosMx SMI با توانایی تجزیه و تحلیل نمایه‌های بیان ژن 1000 رونوشت RNA و پروتئین‌های 64-plex در یک آزمایش واحد، با بالاترین سطح پیچیدگی تصویرساز چندومیک موجود است و تضمین می‌کند که هیچ بیولوژی مهمی حتی برای ژن‌هایی با بیان کم از دست نمی‌رود.² CosMX SMI که در حال حاضر رایج‌ترین تصویربرداری فضایی است، می‌تواند نوع سلول، وضعیت سلولی، عملکرد سلولی و تعامل سلول به سلول در بافت را با ردیابی تغییرات بیان ژن و برهمکنش‌های لیگاند-گیرنده طبقه‌بندی کند.

تقسیم بندی دقیق سلول توسط CosMx SMI یک ویژگی مهم یک آنالایزر درجا است و با تصویربرداری پروتئین و یک الگوریتم یادگیری عمیق اختصاصی به دست می آید.² CosMx SMI می تواند بیان ژن را در بافت ها و سلول ها مشخص کند، همانطور که در سرطان های سلولی غیر کوچک ریه و سینه نشان داده شده است، و می تواند برهمکنش های مولکولی درگیر در زیست شناسی سلولی بافت را محلی کند.²

درک زیست شناسی مولکولی در محل کار در محله های سلولی مانند ریزمحیط تومور بیشتر شتاب می گیرد زیرا NanoString به اصلاح CosMx SMI ادامه می دهد و ظرفیت سنجش را به RNA فوق العاده با پیچیدگی افزایش می دهد (تقریبا تجزیه و تحلیل کل رونوشت) و تنظیم دقیق بیشتر حساسیت و افزایش توان عملیاتی

امکان استخراج حجم زیاد داده ها

پلتفرم‌های زیست‌شناسی فضایی مانند CosMx SMI و GeoMx DSP می‌توانند مقادیر زیادی داده را از بافت انتخابی استخراج کنند. تا به امروز، حجم انبوهی از داده ها یک چالش تجزیه و تحلیل داده ها بوده است و دانشمندان را مجبور می کند که یا به تنهایی برنامه های کاربردی تجزیه و تحلیل داده های سفارشی را توسعه دهند، یا فردی را استخدام کنند که بتواند. NanoString یک راه حل انفورماتیک مبتنی بر ابر کاربر پسند، معروف به AtoMx SIP، برای مدیریت کارآمد داده های تولید شده توسط پلت فرم های زیست شناسی فضایی با ظرفیت بالا، توسعه داده است. در ترکیب با CosMx SMI، AtoMx SIP اولین راه‌حل زیست‌شناسی فضایی کاملاً یکپارچه را نشان می‌دهد که از طراحی اولیه مطالعه به انتشار نهایی با بررسی همتایان طراحی شده است.

AtoMx SIP که از طریق یک کامپیوتر رومیزی قابل دسترسی است، توسط NanoString توسعه داده شد تا کاربر پسند باشد و از پشتیبانی گام به گام برخوردار باشد و محققان را آزاد کند تا به جای صرف زمان برای توسعه ابزارهای تحلیلی، روی یافتن پاسخ در داده های خود تمرکز کنند. علاوه بر این، AtoMx SIP انعطاف‌پذیر است، می‌تواند پارامترهای یک آزمایش خاص را برای تجزیه و تحلیل داده‌های قوی تغییر دهد و دارای یکپارچه‌سازی منبع باز است، بنابراین جامعه تحقیقاتی می‌توانند در بهبود برنامه با کد سفارشی همکاری کنند.

مبتنی بر ابر، AtoMx SIP همچنین همکاری های تحقیقاتی را با به اشتراک گذاری آسان داده ها در داخل و بین مؤسسات تسهیل می کند. AtoMx SIP که در ابتدا با CosMx SMI راه اندازی شد، با GeoMx DSP نیز سازگار خواهد بود و مجموعه ای کاملاً یکپارچه از انفورماتیک زیست شناسی فضایی برای تجزیه و تحلیل داده های تولید شده توسط هر دو پلت فرم ایجاد می کند.

لنگر انداختن پلت‌فرم‌های زیست‌شناسی فضایی NanoString GeoMx DSP است که به‌عنوان یک نیروی کار برای تجزیه و تحلیل کل رونوشت‌ها کاملاً تثبیت شده است. GeoMx DSP که قبلاً به طور گسترده برای علم در مقیاس بزرگ استفاده می شود، با بیش از 375 سیستم در حال حاضر نصب شده و بیش از 175 انتشار در ادبیات، آزمایش شده و قابل اعتماد است. با انتخاب ناحیه مورد علاقه بافت قابل تنظیم که توسط مورفولوژی هدایت می شود، GeoMX DSP نسبت به آرایه های ثابت انعطاف پذیرتر است و درک بهتری از زیست شناسی در بافت مورد نظر ارائه می دهد. در یک انتشار اخیر،³ GeoMx DSP برای شناسایی CD44 در سلول های تومور به عنوان نشانگر زیستی برای حساسیت به محاصره محور PD-1 در سرطان ریه سلول غیر کوچک استفاده شد.

با استفاده از یک استراتژی پروفایل پروتئومی حل‌شده فضایی برای بومی‌سازی بیان CD44 در محفظه تومور اما نه در محفظه ایمنی، ارتباطی در بیماران تحت درمان با PD-1 بین بیان CD44 و مزایای بالینی با بقای طولانی‌مدت بدون پیشرفت ایجاد شد.³ توانایی GeoMx DSP برای تجزیه و تحلیل RNA و پروتئین در یک اسلاید، ایجاد این ارتباط بین نشانگر زیستی و نتیجه درمان را با سنجش همزمان محفظه‌های سلولی و سطوح بیان ژن ممکن کرد. به صورت خودکار در مقیاس، GeoMx DSP به ارائه نتایج ثابت و قابل اعتماد از تجزیه و تحلیل پروتوژنومیک استاندارد شده برای نمونه های گرانبها در مطالعات سرطان چند سایت ادامه خواهد داد.¹

تحقیق و توسعه در NanoString با توسعه نوآوری‌ها در پیوستار فضایی، از جمله: 1) قابلیت‌های پیچیده‌تر در ظرفیت رونوشت و پروتئومیک، به پیشروی خود ادامه می‌دهد. 2) اصلاح مداوم حساسیت برای دستیابی به رونوشت واحد و تشخیص بیان پروتئین. 3) افزایش راندمان گردش کار با کاهش زمان چرخش بدون به خطر انداختن قابلیت اطمینان حاصل می شود. 4) افزایش مستمر ظرفیت و سرعت قابلیت های انفورماتیک تجزیه و تحلیل داده ها. و 5) ادغام قابلیت‌های هوش مصنوعی و یادگیری ماشین در مجموعه‌ای از محصولات زیست‌شناسی فضایی – پلتفرم‌های CosMx SMI، GeoMx DSP و AtoMx.

برای کسب اطلاعات بیشتر و دیدن محصولات ما از نزدیک، از NanoString در رویداد آینده پیشرفت در زیست شناسی و فناوری ژنوم (AGBT) بازدید کنید. یا برای اطلاعات بیشتر در مورد پلتفرم‌های CosMx SMI، GeoMx DSP، و AtoMx SIP و همچنین خط کامل محصولات ما، از وب‌سایت ما دیدن کنید.

جفری هوملکه، دکترا، نویسنده فنی برای فناوری‌های نانواسترینگ است.

منابع
1. Bergholtz H، Carter JM، Cesano A، و همکاران. بهترین روش ها برای پروفایل فضایی برای تحقیقات سرطان پستان با GeoMx^® پروفایل فضایی دیجیتال. سرطان ها (بازل) 2021; 13(17): 4456. DOI: 10.3390/cancers13174456. DOI: 10.3390/cancers13174456.
2. He S، Bhatt R، Brown C، و همکاران. تصویربرداری با پیچیدگی بالا از RNA و پروتئین ها در وضوح درون سلولی در بافت ثابت با تصویربرداری مولکولی فضایی. نات. بیوتکنول. منتشر شده در 6 اکتبر 2022. مشاهده شده در 8 دسامبر 2022. DOI: 10.1038/s41587-022-01483-z.
3. Moutafi MK, Molero M, Martinez Morilla S, et al. پروفایل پروتئومی حل شده فضایی سلول تومور CD44 را به عنوان یک نشانگر زیستی مرتبط با حساسیت به محاصره محور PD-1 در سرطان پیشرفته ریه غیر سلولی شناسایی می کند. J. Immunother. سرطان 2022; 10 (8): e004757. DOI: 10.1136/jitc-2022-004757.