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Forscher erforschen Einzelzell-Sequenzierungstechnologien, um molekulare Mechanismen von Autoimmunerkrankungen zu verstehen


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Eine kürzlich veröffentlichte Rezension in der Zeitschrift für Autoimmunität diskutierten die Anwendungen der Einzelzell-Ribonukleinsäuresequenzierung (scRNA-seq) zum Verständnis von Autoimmunerkrankungen.

Die Überprüfung deckte umfassend die in scRNA-seq verwendeten Prinzipien, Verfahren und Sequenzierungsplattformen ab und untersuchte deren Verwendung zum Verständnis der Mechanismen von neun systemischen und 32 organspezifischen Autoimmun- und autoinflammatorischen Erkrankungen.

Studie: Forschungsfortschritt der Einzelzell-Transkriptomsequenzierung bei Autoimmunerkrankungen und autoinflammatorischen Erkrankungen: Ein Rückblick.  Bildquelle: Kateryna Kon/Shutterstock
Lernen: Forschungsfortschritt der Einzelzell-Transkriptomsequenzierung bei Autoimmunerkrankungen und autoinflammatorischen Erkrankungen: Ein Überblick. Bildquelle: Kateryna Kon/Shutterstock

Hintergrund

Autoimmunerkrankungen (AID) sind ein komplexes Phänomen, an dem verschiedene Zelltypen beteiligt sind. Die Krankheiten entstehen, wenn das Immunsystem des Körpers seine Zellen und Bestandteile nicht erkennt und eine Immunantwort gegen sie auslöst. Autoimmunerkrankungen werden grob in organspezifische und nicht organspezifische AID unterteilt.

Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass AID mit einer verringerten oder fehlenden Toleranz von B- und T-Zellen verbunden ist und dass menschliche Leukozyten-Antigenstellen im Allgemeinen mit einer erhöhten Anfälligkeit für AID verbunden sind. Während Studien die genetischen und immunologischen Mechanismen einiger AID entschlüsselt haben, sind die Pathogenese und die molekularen oder umweltbedingten Ursachen der meisten AID noch unklar.

Darüber hinaus führen viele immunmodulatorische Medikamente zu Nebenwirkungen wie bösartigen Erkrankungen und Infektionen, und die Heterogenität von Zellen und Gewebe bei Patienten führt manchmal zu keiner Verbesserung der Gesundheit. Durch ein besseres Verständnis der pathogenen molekularen Mechanismen von AID mithilfe von scRNA-seq können maßgeschneiderte und wirksamere Behandlungsmöglichkeiten entwickelt werden.

Ziele der Überprüfung

Ziel der vorliegenden Übersicht war es, die Grundprinzipien von scRNA-seq zu beschreiben und die dabei verwendeten Verfahren und Sequenzierungsplattformen zu diskutieren. Die Autoren diskutierten auch die Anwendungen von scRNA-seq zum Verständnis von neun nicht organspezifischen und 32 organspezifischen Krankheiten.

In der Übersicht wurde auch eine Kombination aus Einzelzell-Sequenzierungstechnologien und mehrdimensionalen und multimolekularen Analyseansätzen zur Untersuchung der molekularen Mechanismen von AID untersucht, die eine Grundlage für die Untersuchung der Pathogenese und molekularen Marker autoinflammatorischer und autoimmuner Erkrankungen in der Zukunft bilden würden .

Die scRNA-seq-Pipeline

In der Übersicht wurden die verschiedenen Schritte des scRNA-seq-Prozesses beschrieben. Der Prozess beginnt mit Methoden zur Erfassung lebensfähiger Einzelzellen, wie z. B. serieller Verdünnung und fluoreszenzaktivierter Zellsortierung. Die in scRNA-seq für AID verwendeten Gewebe stammen hauptsächlich aus Blut oder peripheren Blutzellen oder erkranktem Leber-, Synovialflüssigkeits-, Nieren- oder Darmgewebe.

Sobald lebensfähige Einzelzellen abgetrennt wurden, wird das gesamte Transkriptom durch reverse Transkription amplifiziert, um komplementäre Desoxyribonukleinsäure (cDNA) aus RNA zu gewinnen. Die cDNA wird durch In-vitro-Transkription, das Hinzufügen eines Homopolymerschwanzes oder einen Template-Switching-Mechanismus amplifiziert.

Mithilfe von Markergenen werden dann Zellcluster annotiert und die Cluster anhand der Zellzusammensetzung analysiert. Die Trajektorieninferenz wird verwendet, um Übergangszustände und asynchrone Veränderungen in der biologischen Funktion der Zellen zu verstehen. Die Zellheterogenität wird auch durch die Analyse der differentiellen Genexpression beurteilt. Weitere Auswertungen umfassen die Analyse von Gensätzen und die Inferenz von Genregulationsnetzwerken.

Mittlerweile stehen verschiedene Sequenzierungsplattformen zur Verfügung. Die Wahl der Plattform hängt von Faktoren wie der Verfügbarkeit der Proben, der Anzahl der zu analysierenden Proben, dem Budget sowie der erforderlichen Empfindlichkeit und Auflösung der Ergebnisse ab. Die Vorverarbeitung von scRNA-seq-Daten umfasst die Qualitätskontrolle, die Korrektur von Batch-Effekten und die Normalisierung der Daten, gefolgt von nachgelagerten Analysen wie Zell-Clustering sowie Trajektorien- und Gensatzanalysen.

Systemische AID und scRNA-seq

Die Überprüfung lieferte einen umfassenden Bericht über die Verwendung von scRNA-seq zum Verständnis der folgenden systemischen AID: rheumatoide Arthritis, systemischer Lupus erythematodes, Lupusnephritis, primäres Sjögren-Syndrom, Kawasaki-Krankheit, systemische Sklerose, Makrophagenaktivierungssyndrom, Multisystem-Entzündungssyndrom bei Kindern, und Morbus Behcet. Die Autoren diskutierten das aktuelle Verständnis der Immunmikroumgebung, neuartiger pathogener Immunzellen, Transkriptionssignaturen, molekularer Heterogenität und der genetischen Variation dieser systemischen AID basierend auf scRNA-seq in Kombination mit anderen raumzeitlichen Transkriptomtechniken.

Die Autoren deckten auch ein breites Spektrum organspezifischer AID ab, darunter Hauterkrankungen; Erkrankungen der Augen, Leber, Bauchspeicheldrüse, Gallenblase, Muskeln, Gelenke und Knochen; und Autoimmunerkrankungen des Atmungs-, Nerven-, Magen-Darm-, Harn-, Fortpflanzungs- und Kreislaufsystems.

Sie diskutierten die Verwendung von scRNA-seq zum Verständnis der Mechanismen von Hauterkrankungen wie Vitiligo, atopischer Dermatitis, Psoriasis usw. Die in dieser Übersicht diskutierten neuronalen Erkrankungen sind Multiple Sklerose, Neuromyelitis-optica-Spektrum-Erkrankung und Myasthenia gravis. Zu den respiratorischen Autoimmunerkrankungen zählen außerdem die idiopathische Lungenfibrose und die mit Anti-MDA5-Antikörpern assoziierte, schnell fortschreitende interstitielle Lungenerkrankung.

In dieser ausführlichen Übersicht wurden auch Optikus-Aids wie Morbus Basedow und Glaukom, kardiovaskuläre Autoimmunerkrankungen, einschließlich autoimmuner Myokarditis, behandelt; und Leber- und Gallenblasen-AID, wie Autoimmunhepatitis und primär sklerosierende Cholangitis.

Das scRNA-seq-basierte Verständnis der Mechanismen von Typ-I-Diabetes mellitus, entzündlichen Darmerkrankungen, Knochen- und Muskelerkrankungen wie dem Anti-Synthetase-Antikörper-Syndrom sowie renalen Autoimmunerkrankungen wie interstitieller Zystitis, Immunglobulin-A-Nephropathie und End- Nierenerkrankungen im Stadium wurden in der Überprüfung behandelt. Auch Endometriose und wiederkehrende Fehlgeburten aufgrund von Autoimmunerkrankungen wurden diskutiert.

Schlussfolgerungen

Insgesamt lieferte die Überprüfung ein umfassendes Verständnis der scRNA-seq-Pipeline, angefangen bei Methoden der Einzelzellisolierung bis hin zur nachgelagerten Analyse von Sequenzdaten. Die Autoren lieferten umfangreiche Informationen zum aktuellen Verständnis verschiedener systemischer und organspezifischer Autoimmun- und autoinflammatorischer Erkrankungen auf der Grundlage von scRNA-seq-Techniken.

Referenz:

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Daniel Wom

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