Dank einer neuen Technologie namens Moscot („Multi-Omics Single-Cell Optimal Transport“) können Forscher nun Millionen von Zellen gleichzeitig beobachten, wie sie sich zu einem neuen Organ – zum Beispiel einer Bauchspeicheldrüse – entwickeln. Diese bahnbrechende Methode wurde von einem internationalen Forscherteam unter der Leitung von Helmholtz München entwickelt und in der renommierten Fachzeitschrift veröffentlicht Natur.
Bisher hatten Biologen nur begrenzte Kenntnisse darüber, wie sich Zellen in ihrer natürlichen Umgebung entwickeln – etwa wenn sie im Embryo ein Organ bilden. „Bestehende Methoden lieferten nur Momentaufnahmen einiger weniger Zellen oder konnten die dynamischen Prozesse in Raum und Zeit nicht verknüpfen“, erklärt Dominik Klein, einer der Erstautoren der Studie und Doktorand am Institut für Computational Biology der Helmholtz-Universität München wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Technischen Universität München (TUM). „Das hat unser Verständnis der komplexen Wechselwirkungen während der Organentwicklung und bei Krankheitsprozessen stark eingeschränkt.“
Moscot kartiert die Zellentwicklung in ganzen Organen und Organismen
Zusammen mit einem interdisziplinären Team unter der Leitung von Giovanni Palla (Helmholtz München), Marius Lange (ETH Zürich), Michal Klein (Apple) und Zoe Piran (Hebräische Universität Jerusalem) entwickelte Dominik Klein Moscot. Das Team stützte sich auf eine im 18. Jahrhundert entwickelte Theorie: die Theorie des optimalen Transports, die beschreibt, wie Objekte am effizientesten von einem Ort zum anderen bewegt werden können, um Zeit, Energie oder Kosten zu minimieren. Die Anwendung des optimalen Transports auf zwei Zellpopulationen war bisher durch die Größe biomedizinischer Datensätze begrenzt. Dank der Fortschritte in der künstlichen Intelligenz, maßgeblich beeinflusst durch Co-Autor Marco Cuturi (Apple), konnte dieses Hindernis nun überwunden werden. „Wir haben unsere mathematischen Modelle angepasst, um die molekularen Informationen und die Position von Zellen im Körper während ihrer Entwicklung genau darzustellen. Die Theorie des optimalen Transports hilft uns zu verstehen, wie sich Zellen bewegen, verändern und von einem Zustand in einen anderen übergehen“, sagt Klein. Dadurch ist es nun möglich, Millionen von Zellen gleichzeitig zu beobachten – mit einer Genauigkeit, die bisher unvorstellbar war.
Moscot ermöglicht die multimodale Kartierung einzelner Zellen in räumlichen Geweben und spielt eine entscheidende Rolle in dynamischen biologischen Prozessen. Es verbindet im Laufe der Zeit Millionen von Zellen und verknüpft Veränderungen in der Genexpression mit zellulären Entscheidungen. Die Implementierung von Moscot zielt darauf ab, riesige Datensätze mithilfe komplexer Algorithmen zu analysieren und gleichzeitig eine intuitive Schnittstelle für Biologen bereitzustellen. Darüber hinaus erfasst Moscot präzise und gleichzeitig den molekularen Zustand einer großen Anzahl von Zellen und beschreibt ihre Entwicklung in Raum und Zeit. Dadurch ist es erstmals möglich, komplexe zelluläre Prozesse in ganzen lebenden Organen und Organismen zu verfolgen und besser zu verstehen.
Neue Einblicke in die Bauchspeicheldrüsen- und Diabetesforschung
Moscots Antrag hat neue Erkenntnisse in der Bauchspeicheldrüsenforschung geliefert: Dem Team gelang es, die Entwicklung hormonproduzierender Zellen in der Bauchspeicheldrüse anhand multimodaler Messungen abzubilden. Basierend auf diesen Erkenntnissen können Wissenschaftler nun die zugrunde liegenden Mechanismen von Diabetes im Detail analysieren. „Diese neue Sicht auf zelluläre Prozesse eröffnet Möglichkeiten für gezielte Therapien, die an den Ursachen von Krankheiten ansetzen und nicht nur Symptome behandeln“, sagt Prof. Heiko Lickert, der das Institut für Diabetes- und Regenerationsforschung am Helmholtz-Zentrum München leitet und Co-Letzter ist Autor der Studie zusammen mit Prof. Fabian Theis.
Ein Wendepunkt in der medizinischen Forschung
Fabian Theis, Direktor am Institut für Computational Biology der Helmholtz-Universität München und TUM-Professor, betont die Bedeutung von Moscot für die biomedizinische Forschung: „Moscot verändert die Art und Weise, wie wir biologische Daten verstehen und nutzen. Es ermöglicht uns nicht nur, die Dynamik von Zellen zu erfassen.“ Entwicklung in nie dagewesener Detailtiefe zu ermöglichen, sondern auch präzise Vorhersagen über den Krankheitsverlauf zu treffen, mit dem Ziel, personalisierte Therapieansätze zu entwickeln.“
Für Theis ist Moscot ein Paradebeispiel für interdisziplinäre Zusammenarbeit: „Die gelungene Kombination von Mathematik und Biologie in diesem Projekt zeigt eindrucksvoll, wie entscheidend die Zusammenarbeit verschiedener Disziplinen ist, um echte wissenschaftliche Durchbrüche zu erzielen. Dank der engen Zusammenarbeit mit dem Team um Heiko Lickert von.“ Mit dem Helmholtz-Diabetes-Zentrum konnten wir Moscots Vorhersagen durch Laborexperimente validieren.“
Erfahren Sie mehr: moscot-tools.org
