Bagaimana Genomik Spasial Merevolusi Pemahaman Kita tentang Kesehatan dan Penyakit
Genomik spasial adalah bidang mutakhir yang menggabungkan genomik dan analisis spasial untuk menyelidiki peran fitur genom dalam penyakit pada resolusi sel tunggal.
Pengantar genomik spasial
Genomik spasial adalah bidang studi yang berfokus pada
analisis organisasi spasial fitur genom dalam jaringan utuh. Ini melibatkan
analisis simultan berbagai komponen molekuler, termasuk DNA genom dan RNA,
melalui analisis transkriptomik dan modifikasi epigenetik dalam konteks
spasialnya. Teknik-teknik ini bertujuan untuk mengungkap hubungan spasial
antara berbagai elemen genom dan memberikan wawasan tentang organisasi dan
fungsi sel tunggal dalam jaringan, sehingga memungkinkan hubungan molekuler
dari genotipe tertentu dengan fenotipenya.
Penelitian kanker mendapat manfaat besar dari metode ini.
Genom kanker menunjukkan tingkat keragaman yang tinggi dalam bentuk Single
Nucleotide Polymorphisms (SNPs) atau variasi struktural seperti Copy Number
Alterations (CNA) pada wilayah genom yang lebih besar. Kebanyakan SNP dan/atau
CNA ditemukan di daerah non-coding dalam genom, dan mereka mempengaruhi
regulasi onkogen dan/atau penekan tumor dengan cara yang spesifik terhadap
kanker.
Salah satu ciri umum tambahan penyakit ini adalah akumulasi
mutasi pemicu non-coding selama perkembangan penyakit, sehingga menimbulkan
ketidakstabilan genom dan perkembangan neoplastik. Dalam konteks ini, genomik
spasial dapat memberikan informasi tentang dampak perubahan non-coding ini,
serta modifikasi epigenetik yang mungkin juga memengaruhi organisasi kromatin,
sehingga mendorong perkembangan kanker.
Teknologi genomik spasial yang paling banyak diterapkan
adalah transkriptomik spasial. Ada dua metode untuk membuat profil transkriptom
sambil menjaga informasi spasial: metode berbasis pencitraan seperti
hibridisasi in situ dan pengurutan in situ, dan metode berbasis pengurutan, yang
mengekstraksi mRNA dari jaringan dan membuat profilnya menggunakan next-generation
sequencing (NGS).
Beberapa teknik multi-omics spasial juga telah dikembangkan;
pendekatan yang paling umum adalah integrasi transkriptom spasial dan
proteomik. Namun demikian, ada metode baru untuk memetakan transkriptom dan
epigenom, yang memungkinkan studi aksesibilitas kromatin, modifikasi histon,
dan ekspresi mRNA di bagian jaringan yang sama. Teknik-teknik ini telah
diterapkan pada sampel otak tikus dan manusia, memberikan wawasan berharga
tentang dinamika epigenetik dan transkripsional dalam jaringan.
Kekuatan resolusi sel tunggal
Teknologi sel tunggal (misalnya scRNA-seq) adalah teknik
berharga untuk menganalisis ekspresi gen dalam sel individual. Dengan menangkap
transkriptom populasi sel tunggal, scRNA-seq memungkinkan eksplorasi hubungan
genotipe-fenotipe pada tingkat yang mendetail. Pendekatan ini telah digabungkan
dengan biologi spasial untuk mencapai tingkat kompleksitas yang lebih tinggi
dengan mengidentifikasi organisasi spasial jaringan pada resolusi seluler.
GenePS dari Spatial Genomics adalah salah satu contoh teknologi baru yang
memanfaatkan analisis spasial sel tunggal ini.
Investigasi yang dilakukan oleh Shah dan rekan (2016)
berperan penting dalam memajukan bidang biologi spasial ke arah ini. Dalam
pekerjaan mereka, mereka bertujuan untuk mengungkap organisasi spasial jaringan
hipokampus pada tingkat sel menggunakan profil ekspresi gen sel tunggal. Untuk
mencapai hal tersebut, mereka menggunakan teknik pencitraan multipleks 3D
mutakhir, seqFISH, yang memungkinkan mereka mengukur dan mengelompokkan hingga
249 gen dalam 16.958 sel; mereka mampu mengidentifikasi keadaan transkripsi
yang berbeda dan menyelidiki apakah hipokampus dibagi menjadi sub-wilayah yang
unik.
Mapping the blueprint of health
Transkriptomik spasial telah menjadi salah satu teknik
terkemuka dalam penelitian kanker untuk mengkarakterisasi lingkungan mikro
tumor. Ini secara efisien menganalisis berbagai jenis dan keadaan sel dalam
sampel tumor utuh dan menghasilkan wawasan berharga mengenai heterogenitas
spasial. Pendekatan inovatif, termasuk metode penangkapan fase padat seperti
10X Visium, telah diterapkan untuk membuat profil lingkungan mikro tumor di
berbagai jenis tumor.
Teknik ini menawarkan hasil yang lebih tinggi dan ideal
untuk aplikasi translasi melalui kombinasi metode histopatologi dan NGS. Data
transkriptomik histologis dan spasial yang digabungkan juga telah diterapkan
untuk melatih algoritme pembelajaran mesin yang bertujuan memprediksi anotasi
histopatologis dan ekspresi gen lokal pada kanker payudara. Selain itu,
Slide-Seq dan High Definition Spatial Transcriptomics (HDST) telah secara
efektif memetakan ekspresi gen pada tingkat sel tunggal dalam spesimen kanker
payudara Her2+ yang dikriopreservasi.
Setiap metode memiliki keunggulan unik. Sistem Nanostring
GeoMX DSP dapat mendeteksi probe RNA oligonukleotida dan memberi label antibodi
untuk membuat profil distribusi spasial protein dalam jaringan kanker paru-paru
non-sel kecil, mengidentifikasi biomarker untuk hasil pengobatan blokade pos
pemeriksaan PD-1, dan memetakan program fibroblas terkait kanker dan
kedekatannya dengan sistem imun. infiltrat pada adenokarsinoma duktal pankreas.
Ada metode lain yang menawarkan pemetaan resolusi subseluler dari penanda yang
telah dipilih sebelumnya dalam sampel tumor utuh.
Studi kasus: Bio-Techne
Perusahaan pertama yang menciptakan platform genomik spasial
adalah Bio-Techne, melalui merek Advanced Cell Diagnostics (ACD) yang
diakuisisinya. ACD mengembangkan teknologi RNAscope, teknik hibridisasi RNA in
situ canggih yang digunakan untuk studi genomik spasial. Produk genomik spasial
perintis dari ACD ini meletakkan dasar untuk kemajuan lebih lanjut di bidang
ini.
Uji RNAscope (2011) berfungsi sebagai landasan portofolio
produk ACD. Dengan desain probe "double Z" yang unik, pengujian ini
memungkinkan analisis spasial target mRNA dan long non-coding RNA (lncRNA) yang
lebih panjang dari 300 nukleotida di jaringan dan spesies apa pun.
Uji BaseScope (2016), yang dibangun dengan teknologi yang
sama, dikembangkan untuk mendeteksi molekul RNA yang sebelumnya sulit
diidentifikasi di dalam jaringan. Hal ini memungkinkan deteksi spesifik
persimpangan ekson, varian sambungan, urutan yang sangat homolog, target
pendek, dan mutasi titik.
Pada bulan Juli 2021, ACD memperluas platform RNAscope™
HiPlex, alat hibridisasi in situ (ISH) yang lebih canggih yang memungkinkan
penyelidikan pola ekspresi gen penting pada resolusi sel tunggal. Teknologi ini
digunakan oleh Centers for Disease Control and Prevention (CDC) A.S. untuk
secara langsung memvisualisasikan RNA SARS-CoV-2 dalam jaringan yang diotopsi
dari pasien yang diduga COVID-19.
Tantangan dan prospek masa depan
Ukuran pasar Spatial Genomics diproyeksikan mencapai USD
948,2 Juta pada tahun 2030, tumbuh pada tingkat tahunan sebesar 15,2%. Hal ini
disebabkan oleh meningkatnya kebutuhan akan teknologi baru yang dapat mengkaji
susunan spasial genom. Terlepas dari semua tantangan yang terkait dengan
pengembangan teknologi dengan throughput tinggi ini, bidang genomik spasial
memiliki potensi yang signifikan. Beberapa bidang yang potensial untuk
perbaikan di masa depan termasuk menyempurnakan resolusi spasial, meningkatkan
integrasi Multi-Omic, membuat profil sel tunggal dan aplikasi klinisnya.
References
Maniatis S, et al. (2021). Spatially resolved
transcriptomics and its applications in cancer. Current Opinion in Genetics
& Development, 66, 70–77. https://doi.org/10.1016/j.gde.2020.12.002
Shah S, et al. (2016). In situ transcription profiling of
single cells reveals spatial organization of cells in the mouse hippocampus.
Neuron, 92(2), 342–357. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2016.10.001
Zhang D, et al. (2023). Spatial epigenome–transcriptome
co-profiling of mammalian tissues. Nature, 616(7955), 113–122.
https://doi.org/10.1038/s41586-023-05795-1
RNAscopeTM Hiplex V2 assays. (n.d.) [online] Advanced Cell
Diagnostics. . https://acdbio.com/rnascope-hiplex-assays
Spatial genomics and transcriptomics market size &
forecast (2023). [online] Verified Market Research.
https://www.verifiedmarketresearch.com/product/spatial-genomics-and-transcriptomics-market/
Spatial RNA profiling in the nervous system with the
RNAscope technology. (n.d.). [online]
https://resources.bio-techne.com/bio-techne-assets/images/resources/acd-rnascope-neuroscience-e-book_reva_smaller.pdf
No comments