Neue Ära für Einzelzellanalyse mit mikrofluidischen Systemen
Mit der Droplet-Mikrofluidik kann erstmals an kleinsten Probenmengen die zelluläre Mikroumgebung reguliert werden. Allerdings sind die meisten zellbasierten mikrofluidischen Systeme noch in der PoC-Phase (Proof-of-Concept), auch existiert noch kein System zur längerfristigen Überwachung von Zellwachstum und Kulturbedingungen mit automatisierter und reproduzierbarer Arbeitsabfolge. Dr. Linas Mazutis vom EU-finanzierten Projekt BIOCELLCHIP (Integrated microfluidic system for long-term cell cultivation, monitoring and analysis) entwickelte ein mikrofluidisches Hochdurchsatzsystem für die Isolierung und Analyse von Einzelzellen. Im Projekt wurden verschiedene mikrofluidische Systeme entwickelt, von denen sich zwei als besonders geeignet erwiesen. Das erste Mikrofluidiksystem von BIOCELLCHIP erlaubt die räumlich-zeitliche Kontrolle der biochemischen und physikalischen Umgebung von Zellisolaten. Mit dem mikrofluidischen Bioreaktor wurde die Knochenmarknische ex vivo reproduziert und die Megakaryozytenadaptation untersucht, sodass erstmals komplexe physiologische Organe auf einem Chip gezüchtet werden könnten. Mit dem System optimierte man die Plättchenproduktion bei aus iPS (induzierten pluripotenten Stammzellen) derivierten Megakaryozyten. Nach der Patentierung wurde das System von einem biomedizinischen Spinoff-Unternehmen auf den Markt gebracht. Da vor allem Krankenhäuser großen Bedarf an spenderunabhängigen Blutplättchen haben, dürfte der neue Bioreaktor zügig Anwendung finden. Das zweite von BIOCELLCHIP entwickelte Mikrofluidiksystem ist ein innovativer Ansatz für die gleichzeitige Barcodierung und Sequenzierung Zehntausender Einzelzellen. Grundlage dessen ist die massive parallele Einzelzellisolierung in mikroskopischen Nanoliter-Tröpfchen in Kombination mit barcodierten Oligonukleotidprimern und anderen biochemischen Reagenzien. Nach ihrer Verkapselung werden die Zellen lysiert und ihre mRNA-Moleküle während der reversen Transkriptionsreaktion markiert (strichcodiert), gefolgt von NGS-Sequenzierung und computergestützter Analyse. Mit dem System konnten mehr als 10.000 einzelne embryonale Stammzellen sehr kostengünstig produziert und seltene Subpopulationen nachgewiesen werden, die Marker verschiedener Zelllinien exprimieren. Außerdem beobachtete man, dass bestimmte Transkriptionsfaktoren über die gesamte Zellpopulation fluktuierten und abhängig von einzelnen Zellzuständen waren. Auch dieses System wurde patentiert und von einem zweiten Spinoff-Unternehmen vertrieben. Insgesamt dürften beide Mikrofluidik-Systeme die biomedizinische Forschung in verschiedenen Bereichen revolutionieren und die hochdurchsatzfähige Analyse von Schlüsselzellprozessen und Zellheterogenität genauer und kostengünstiger machen.
Schlüsselbegriffe
Droplet-Mikrofluidik-Technologie, Einzelzellsequenzierung, RNA-Seq, Barcodierung, induzierte pluripotente Stammzellen, Thrombozyten
