Semplificare il flusso di lavoro della trascrittomica spaziale / Streamlining the Spatial Transcriptomics Workflow
Semplificare il flusso di lavoro della trascrittomica spaziale / Streamlining the Spatial Transcriptomics Workflow
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
I sistemi che integrano perfettamente l'analisi della trascrittomica a cellula singola e l'imaging dei tessuti faciliteranno studi approfonditi sui percorsi biologici e sui meccanismi della malattia. Non sarà più necessario per gli investigatori ricorrere a sistemi scarsamente integrati (costruiti insieme), che hanno maggiori probabilità di introdurre risultati variabili. Non sarà più necessario distruggere i campioni, né per eseguire il sequenziamento di nuova generazione né per generare cellule dissociate per l'analisi di una singola cellula.
Vizgen mette a disposizione un sistema senza soluzione di continuità, una piattaforma di analisi in situ. "[La nostra piattaforma] può guardare direttamente le cellule in una fetta di tessuto senza dover strappare il tessuto", afferma George Emanuel, PhD, co-fondatore e direttore della tecnologia e delle partnership di Vizgen. "[Esso] può misurare centinaia di geni per vedere dettagli come dove le trascrizioni di RNA sono espresse all'interno del tessuto".
La piattaforma si chiama MERSCOPE e incorpora la tecnologia di ibridazione in situ a fluorescenza con errori multiplex (MERFISH). La piattaforma è completamente automatizzata per misurare simultaneamente il numero di copie e la distribuzione spaziale di centinaia o decine di migliaia di specie di RNA nelle singole cellule.
Adottare un approccio distintivo
Le piattaforme di analisi spaziale sono state sviluppate da altre società, osserva Terry Lo, presidente e CEO di Vizgen. Tuttavia, afferma che queste società “non hanno fornito una piattaforma per la risoluzione a cella singola, che è fondamentale per generare la profondità dei dati necessari. Altri metodi accademici sono molto specializzati e richiedono laboratori esperti immersi nel campo. L'ampia comunità di ricerca, quindi, ha una vera fame di una piattaforma di trascrittomica spaziale”.
MERSCOPE è stato annunciato lo scorso marzo in occasione di un evento virtuale, Advances in Genome Biology and Technology (AGBT) 2021, e la spedizione è prevista per questa estate. "MERSCOPE prende la tecnologia MERFISH e la racchiude in uno strumento di genomica spaziale di facile implementazione", sottolinea Lo. "Questa è la prima piattaforma per fornire informazioni sulla genomica della molecola a livello di singola cellula in un contesto spaziale".
MERSCOPE offre etichettatura combinatoria, imaging sequenziale e codici a barre e consente di profilare centinaia di geni con centinaia di migliaia di cellule in un unico strumento, senza la necessità di sequenziamento.
I grandi concetti che distinguono la soluzione MERSCOPE di Vizgen dagli attuali flussi di lavoro della tecnologia MERFISH utilizzati nella comunità di ricerca sono la microscopia e la standardizzazione. "Per eseguire queste misurazioni è necessario un livello molto avanzato di microscopia", spiega Lo. "Se stai cercando di farlo da solo, dovresti configurare la microscopia in un modo tecnicamente complesso e farlo bene non è banale." Aggiunge che l'automazione completa (e quindi la standardizzazione) di questo strumento elimina i tentativi e gli errori, "prendendo molto carico dall'utente".
"Questa è una soluzione completa dal punto del campione al risultato", sottolinea Lo. "Abbiamo stabilito e standardizzato l'intero flusso di lavoro con i propri materiali di base, ad esempio sonde e kit di reagenti di imaging, per consentire risultati più ripetibili e affidabili".
In termini di analisi, Vizgen adotta un approccio mirato, concentrandosi su specifici geni di interesse. "Di fronte all'analisi dell'intero trascrittoma per circa 30.000 geni, diventa difficile capire cosa è importante", afferma Lo. "Ci aspettiamo di prendere di mira più di 500 geni nella piattaforma MERSCOPE di prima generazione e di espandere gradualmente quel numero".
Sostenere applicazioni ambiziose
"[MERSCOPE] è una vera trascrittomica spaziale", insiste Lo, "e le persone stanno ancora imparando quali intuizioni possono ottenere da questa tecnologia".
I primi ad utilizzarlo per studiare il microambiente tumorale ed il modo in cui le cellule interagiscono con altre cellule per influenzare la progressione della malattia. Un'altra area di applicazione chiave, afferma Emanuel, è lo studio delle "malattie neurodegenerative, tra cui l'Alzheimer ed il Parkinson, dove molto rimane sconosciuto".
Le versioni alfa di MERSCOPE sono in uso presso il Broad Institute, Harvard e la Rockefeller University, generando dati che hanno informato studi che saranno discussi nelle prossime pubblicazioni. "Avremo un breve programma beta per il lancio esterno (in tarda primavera/inizio estate), seguito da un lancio limitato quest'estate", spiega Emanuel. Entro la fine dell'anno, MERSCOPE sarà ampiamente disponibile. "In futuro", osserva, "vogliamo renderlo traslazionale per l'uso in applicazioni cliniche".
Sorgendo da solide fondamenta
MERFISH, la tecnologia fondamentale alla base di MERSCOPE, è stata sviluppata nel laboratorio di Xiaowei Zhuang, PhD, il professore di scienze David B. Arnold e direttore del Center for Advanced Imaging, Università di Harvard. Quando ha pubblicato un articolo su Science che spiegava la tecnologia nel 2015, ha ottenuto un'attenzione significativa.
“Il punto di svolta è arrivato nel 2018 con la pubblicazione di un altro articolo su Science ”, ricorda Emanuel. “Ha dimostrato che la microscopia a super risoluzione ha infranto la barriera della risoluzione ed è stato un modo pratico per visualizzare e scoprire le strutture cellulari. Dimostrò che c'era una novità nella tecnologia e che si poteva fare con molte cellule ciò che (all'epoca) era stato fatto solo con cellule singole".
Dopodiché, aggiunge Lo, "le persone hanno provato a implementare MERFISH da sole, quindi abbiamo pensato che ci sarebbe stata una domanda commerciale". La società è stata costituita e finanziata con un round di serie A da 14 milioni di dollari. Da allora, continua, "Abbiamo messo la tecnologia in una soluzione facile da usare, progettando un sistema a scatola chiusa e migliorando i reagenti ed i metodi generali per facilitare il processo dalla progettazione del pannello genetico fino all'elaborazione delle immagini, analisi e visualizzazione.”
Crescere nonostante le interruzioni
Proprio mentre l'azienda stava decollando, il COVID-19 ha colpito. "Stavamo cercando di stabilire un percorso verso la commercializzazione, quindi il COVID-19 è stato piuttosto dirompente, iniettando ulteriore incertezza", riconosce Lo. Tuttavia, Vizgen ha prosperato. Nature Methods ha nominato la trascrittomica risolta spazialmente come il metodo dell'anno nel 2020, citando la tecnologia di genomica spaziale di Vizgen.
Ora l'azienda sta espandendo le sue strutture per produrre i reagenti utilizzati nel suo strumento. Prevede di triplicare il personale quest'anno (a 60). "Abbiamo ricevuto molto supporto ed entusiasmo per creare l'azienda da ricercatori e investitori", afferma Lo.
La rapida crescita, infatti, è una delle sue maggiori sfide. "Poiché c'è una domanda così elevata per questa tecnologia, dobbiamo scalare molto velocemente, quindi stiamo costruendo l'organizzazione molto rapidamente", continua. "Non è facile."
Vizgen sta costruendo un forte gruppo scientifico e continua a lavorare a stretto contatto con gli sviluppatori originali di MERFISH, due dei quali, Emanuel e Jiang He, PhD, sono entrati a far parte dell'azienda. Inoltre, Zhuang è un consulente scientifico insieme ai colleghi co-fondatori David Moffit, PhD, anche di Harvard, e David Walt, PhD, che è il fondatore scientifico di Illumina e Quanterix.
Man mano che Vizgen cresce, Lo ed Emanuel affermano che continueranno a migliorare la piattaforma MERFISH già completamente funzionante con versioni aggiuntive di reagenti e una maggiore produttività delle cellule, "adattando la piattaforma in base alle esigenze dei clienti".
"Stiamo assistendo all'evoluzione della trascrittomica spaziale proprio ora", dichiara Lo. “La grande domanda è cosa significherà questa tecnologia in termini di accelerazione della conoscenza scientifica e come farla muovere ancora più velocemente. Le risposte saranno rivoluzionarie".
ENGLISH
Vizgen’s MERSCOPE platform democratizes multiplexed, error-robust, single-cell in situ transcriptomics imaging.
Systems that seamlessly integrate single-cell transcriptomics analysis and tissue imaging will facilitate deep studies into biological pathways and disease mechanisms. No longer will it be necessary for investigators to resort to poorly integrated (cobbled together) systems, which are more likely to introduce variable results. No longer will it be necessary to destroy samples, either to perform next-generation sequencing or generate disassociated cells for single-cell analysis.
A seamless system, an in situ analysis platform, is available from Vizgen. “[Our platform] can look directly at the cells in a tissue slice without having to tear apart the tissue,” says George Emanuel, PhD, Vizgen’s co-founder and director of technology and partnerships. “[It] can measure hundreds of genes to see details such as where RNA transcripts are expressed within the tissue.”
The platform is called MERSCOPE, and it incorporates multiplexed error-robust fluorescence in situ hybridization (MERFISH) technology. The platform is fully automated to simultaneously measure the copy number and spatial distribution of hundreds to tens of thousands of RNA species in individual cells.
Taking a distinctive approach
Spatial analysis platforms have been developed by other companies, notes Terry Lo, president and CEO of Vizgen. However, he asserts that these companies “haven’t provided a platform for single-cell resolution, which is key to generating the depth of data needed. Other academic methods are very specialized and require expert labs that are immersed in the field. The broad research community, therefore, has a real hunger for a spatial transcriptomics platform.”
MERSCOPE was announced last March at a virtual event, Advances in Genome Biology and Technology (AGBT) 2021, and it is scheduled to ship this summer. “MERSCOPE takes the MERFISH technology and packages it into an easy-to-implement spatial genomics instrument,” Lo points out. “This is the first platform to deliver single cell–level molecule genomics information in a spatial context.”
MERSCOPE offers combinatorial labeling, sequential imaging, and barcoding, and it enables hundreds of genes to be profiled with hundreds of thousands of cells in one instrument, without the need for sequencing.
The big concepts that set Vizgen’s MERSCOPE solution apart from current MERFISH technology workflows being used in the research community are microscopy and standardization. “A very advanced level of microscopy is involved to run these measurements,” Lo elaborates. “If you’re trying to do this yourself, you would have to configure the microscopy in a technically complex way, and getting it right isn’t trivial.” He adds that fully automating (and thus standardizing) this instrument eliminates the trial and error, “taking a lot of the burden from the user.”
“This is a full solution from point of sample to result,” Lo emphasizes. “We’ve established and standardized the entire workflow with its own core materials—probes and imaging reagent kits, for example—to enable more repeatable and robust results.”
In terms of analysis, Vizgen takes a targeted approach, focusing on specific genes of interest. “When faced with analyzing the full transcriptome for approximately 30,000 genes, it becomes overwhelming to understand what’s important,” Lo says. “We expect to target more than 500 genes in the first-generation MERSCOPE platform, and to gradually expand that number.”
Supporting ambitious applications
“[MERSCOPE] is true spatial transcriptomics,” Lo insists, “and people are still learning what insights they can get from this technology.”
Early adopters are using it to investigate the tumor microenvironment and how cells there interact with other cells to affect disease progression. Another key application area, Emanuel says, is the study of “neurodegenerative diseases, including Alzheimer’s and Parkinson’s diseases, where a lot remains unknown.”
Alpha versions of MERSCOPE are in use at the Broad Institute, Harvard, and the Rockefeller University, generating data that has been informing studies that will be discussed in upcoming publications. “We’ll have a short beta program for external launch (in late spring/early summer), followed by a limited launch this summer,” Emanuel details. By the end of the year, MERSCOPE will be available broadly. “In the future,” he remarks, “we want to make it translational for use in clinical applications.”
Rising from a sound foundation
MERFISH, the foundational technology behind MERSCOPE, was developed in the lab of Xiaowei Zhuang, PhD, the David B. Arnold Professor of Science and director of the Center for Advanced Imaging, Harvard University. When she published a paper in Science explaining the technology in 2015, it garnered significant attention.
“The inflection point came in 2018 with the publication of another paper in Science,” Emanuel recalls. “It showed that super-resolution microscopy broke the resolution barrier and was a practical way to visualize and discover cellular structures. It showed that there was novelty to the technology and that you could do with many cells what had (at the time) been done only with single cells.”
After that, Lo adds, “People tried implementing MERFISH on their own, so we thought there would be commercial demand.” The company was formed and funded with a $14 million Series A round. Since then, he continues, “We’ve put the technology into a user-friendly solution—engineering a closed-box system and improving reagents and overall methods to facilitate the process from gene panel design all the way through image processing, analysis, and visualization.”
Growing despite disruption
Just as the company was getting off the ground, COVID-19 hit. “We were trying to establish a pathway toward commercialization, so COVID-19 was quite disruptive, injecting additional uncertainty,” Lo acknowledges. Nonetheless, Vizgen thrived. Nature Methods named spatially resolved transcriptomics as the Method of the Year in 2020, citing Vizgen’s spatial genomics technology.
Now the company is expanding its facilities to manufacture the reagents used in its instrument. It plans to triple its staff this year (to 60). “We’ve had a lot of support and excitement to build out the company from researchers as well as investors,” Lo says.
Rapid growth, in fact, is one of its greatest challenges. “Because there’s such high demand for this technology, we need to scale very fast, so we’re building the organization very quickly,” he continues. “That’s not easy.”
Vizgen is building a strong scientific team and continues to work closely with the original MERFISH developers, two of whom—Emanuel and Jiang He, PhD—joined the company. Additionally, Zhuang is a scientific consultant along with fellow co-founders David Moffit, PhD, also of Harvard, and David Walt, PhD, who is the scientific founder of Illumina and Quanterix.
As Vizgen grows, Lo and Emanuel say they will continue to improve on the already fully functional MERFISH platform with additional versions of reagents and higher cell throughput, “tailoring the platform as customers’ needs arise.”
“We’re seeing the evolution of spatial transcriptomics right now,” Lo declares. “The big question is what this technology will mean in terms of accelerating scientific knowledge, and how to make it move even faster. The answers will be groundbreaking.”
Da:
https://www.genengnews.com/on-your-radar/streamlining-the-spatial-transcriptomics-workflow/
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