マルチオミクス技術はより多くの細部を捕捉し、より壮大さを明らかにします

単一細胞分析から空間調査まで、マルチオミクス技術はより豊富なデータセットを編集し、より深い生物学的洞察を生み出しています

特定の「オーム」がどれほどよく理解されていても、細胞活動の狭い視野しか得られません。 より広い視野が必要な場合は、この図が示すように、ゲノム、トランスクリプトーム、プロテオームなど、2 つ以上のオームからの情報を統合する必要があります。 言い換えれば、マルチオミクスが必要です。 これまで、ほとんどのマルチオミクス研究は、別々の研究からのデータセットを相関付けることを試みてきました。 しかし現在、新しいテクノロジーの導入により、マルチオミクス研究では 2 つ以上のオームから同時に収集されたデータセットの分析が開始されています。 これらの技術は、単一細胞解析と空間解析の両方を進歩させることを約束します。 [ニコール・レイジャー、国立科学財団]

ジュリアナ・ルミュー博士著

ゲノム、プロテオーム、トランスクリプトーム、エピゲノム、メタボロームなど、それぞれの「オーム」のテクノロジーは、それぞれ独自の革命の真っ最中です。 これらのテクノロジーが成熟するにつれて、それぞれのオームの探索が容易になるだけでなく、あるオームを別のオームに関連付ける機会も生まれます。 実際、研究者はスタンドアロンのオミクス技術を使用するよりも、マルチオミクス技術を使用することを好むかもしれません。 後者では、研究者はさまざまな種類のオミクスデータを組み合わせて、細胞や組織のより包括的な研究を行うことができます。

従来、マルチオミクスでは、あるオームを別のオームの上に重ねてきました。 つまり、マルチオミクスは、あるオミクス データセットから別のオミクス データセットに情報を関連付けるための計算ツールに依存しています。 人々がマルチオミクス技術と呼ぶ技術の多くは、「トランスクリプトームのごく一部の小さな領域を調べているため、ゲノムで何が起こっているのか」を推論するものだと、BioSkryb Genomics の最高営業責任者、レーガン・タリー氏は述べています。

しかし、いくつかの技術は、異なるオームを同時に測定することを目的としています。 「生物学的測定には価値のあるアプローチや技術が数多くありますが、同時マルチオミクス測定により、大量の次世代シーケンシングや、 RNA シーケンスは単独でアプローチします。」

たとえば、プラダン氏が付け加えたように、プロテオゲノムプロファイリングを通じて細胞の遺伝子型と免疫表現型を一緒に測定すると、腫瘍の不均一性についての新たな理解が可能になります。 また、単一細胞解像度でサンプルを調査する機能を追加することで、マルチオミクスの範囲がさらに拡大され、研究室から臨床まで応用が可能になります。

昨年5月、Inside Precision Medicine（GENの姉妹誌）は「The State of Precision Medicine」と呼ばれるオンラインイベントを開催した。 あるセッションでは、マルチオミクス、特にゲノミクス情報にプロテオミクス データを追加することの重要性に焦点を当てました。 著名な講演者には、Cedars-Sinai Medical Center の医学教授である Jennifer Van Eyk 博士と、KTH 工学科学部の化学、バイオテクノロジー、および健康の微生物学教授である Mathias Uhlén 博士が含まれます。 彼らは自分たちを「プロテイン狂信者」と呼んでいました。

Van Eyk氏は、患者のゲノムには、その患者の病気の素因や薬物反応に関する情報が含まれていると指摘した。 しかし、病気のリスクや薬物反応に関するより良い情報はプロテオームから収集できる可能性があると彼女は付け加えた。 タンパク質をコードする遺伝子の数は限られていますが、タンパク質発現の複雑さにより、さまざまな種類のプロテオミクス情報が豊富に生成されます。 Van Eyk 氏によると、病気によって引き起こされる修飾、アイソフォーム、濃度変化、化学的複雑さに関する情報は、身体と環境の文脈において、体内で何が起こるかを予測する情報を提供することができます。 彼女は、プロテオミクスのアプローチ（一度に 1 つだけではなく、数千のタンパク質のモニタリングを含むアプローチ）が貴重な臨床的洞察を生み出す可能性があると示唆しています。

ウーレン氏は、薬剤標的としてのタンパク質の重要性を強調した。 抗体ベースのプロテオミクスの分野が過去 2 ～ 3 年間で爆発的な成長を遂げたことに言及した後、同氏は、成長は今後も続き、より多くのデータがより迅速に生成されるだろうと宣言しました。 そして、プロテオミクス技術が単独で、または他のオミクス技術と組み合わせて創薬標的を特定できることを強調した後、ウーレン氏はもう一つの予測を述べた。「私たちは医学研究においてこれまでで最も興味深い時代に突入している」。

BioSkryb Genomics の最高技術責任者である Jay West 博士は、おそらく Uhlén の最後の予測に同意するでしょう。 実際、彼は、「未来を予測する最善の方法は、未来を創造することである」という有名な言葉を残した経営コンサルタント、ピーター・ドラッカーの言葉を借りて、予測をさらに一歩進めたいと考えているのかもしれません。

ウェスト氏は単細胞に長年の関心を持っている。 ウェストは、カリフォルニア大学デービス校で分子薬理学の博士号取得に取り組んでいたとき、顕微鏡と分析化学を使用して単一細胞を単離しました。 その後、産業界に移り、Fluidigm (現在は Standard Biotools) に入社し、単一細胞技術プラットフォームの構築に携わりました。

その間に、ウェストは、当時スタンフォード大学の生物工学および応用物理学の教授であるスティーブン・クエイク博士の研究室の博士研究員だったチャック・ガワド医学博士に会いました。 Quake は Fluidigm の共同創設者でもあります。 ガワドとウェストは、ガワドがセント ジュード小児研究病院に自分の研究室を設立するために移転したときでも連絡を取り合い、そこで彼は主要なテンプレート指向性増幅 (PTA) 技術を発明しました。 PTA は全ゲノム増幅技術であり、単一細胞などの小さなサンプルであっても堅牢なシークエンシング カバレッジと変異検出を可能にします。

ガワド氏とウェスト氏は、単一細胞とゲノミクス技術への関心を共有することに加えて、がんの分野で働き、変化をもたらしたいという強い意欲を持っていました。 ガワドは小児腫瘍学者となり、現在はチャン・ザッカーバーグ・バイオハブ研究員であり、スタンフォード大学の准教授でもあります。 2018 年にガワド氏とウェスト氏は協力して BioSkryb Genomics を共同設立し、セント ジュードから PTA テクノロジーのライセンスを取得しました。

やがて、彼らは臨床患者のサンプルの配列を決定するようになりました。 彼らが初期に学んだ教訓の 1 つは、患者に影響を与える可能性のある多くのデータが欠落しているということだとウェスト氏は GEN に語った。 「500ページある本のうち2ページを読んでいると、ストーリー全体を理解するのは難しいです。」と彼は言います。

次世代シークエンシングは、生殖系列の違いを検出するのには優れていますが、細胞間の体細胞変異を検出するのには適していないとウェスト氏は述べています。 そしてそこに病気が見つかるのです。 そこで 2 人は、包括的な単細胞オームに焦点を当てることにしました。

「私たちにとって、オメスとは部分的なものではなく、すべてを意味します」とウェスト氏は強調する。 「私たちは完全な青梅を作ることを目指しています。」 彼らはゲノムから始めました。 そして現在、彼らはゲノム増幅化学を構築して、追加のオームを重ねることに取り組んでいます。

新型コロナウイルス感染症が発生したとき、Bioskryb Genomics のほとんどは社会的に隔離するために帰宅しました。 しかし、ごく少数のグループが研究室に残り、ゲノムの上にトランスクリプトームを重ねる製品を構築する方法を見つけました。 この取り組みは今年初め、同社がトランスクリプトームとゲノム情報を統合する ResolveOME を立ち上げ、実を結んだ。 ResolveOME ワークフローには次の手順が含まれます。 単一セルの分離。 細胞質溶解と逆転写。 核溶解とゲノム増幅（PTA テクノロジーによる）。 画分の分離とRNAおよびDNAライブラリーの構築。 そしてマルチオミクス解析。

Bioskryb Genomics はゲノムとトランスクリプトームを結合したため、同社はプロテオームに移行しています。 今年初めの米国癌研究協会の会合で、同社は15の臨床患者サンプルから得たトランスクリプトームとゲノム情報を含むタンパク質分析データを発表した。 ウェスト氏は、同社はエピゲノムに照準を合わせ、今後18カ月以内に4つのオームの統合に向けて取り組んでいると述べた。

オメは何個あれば十分ですか？ ウェスト氏は、それは良い質問だと言いますが、患者を助けるために必要なことは何であれ、常に焦点を当て続けています。

マルチオミクスの波と空間生物学の波が重なっています。 その結果、建設的な干渉の非常に印象的な例が得られました。 RNA ベースの空間プラットフォームはタンパク質の検出に取り組んでおり、タンパク質ベースのプラットフォームはその製品にトランスクリプトームを追加しています。

「ほとんどのサンプルでマルチオミクス分析を行う必要がある理由は自明ですが、その自明性が最も当てはまるのは空間分析だと思います」と、Akoya Biosciences の最高ビジネス責任者、ニロ・ラマチャンドラン博士は述べています。

同氏は、空間解析における主な要件は細胞境界を特定する必要性であるが、非空間解析には存在しない必要性であると付け加えた。 空間プロテオミクス解析は、細胞の境界と細胞の種類を特定するのに最適です。 空間トランスクリプトミクスアプローチにより、細胞機能の徹底的な分析が可能になります。 この組み合わせは、マルチオミクス解析の最も強力な例を提供します。

1 つの障害は、同じ組織スライド上で両方の分析を同時に実行できることです。 多くの場合、2 つのオミクスの染色は 2 つの連続切片を使用することを意味します。

同じ組織内の RNA とタンパク質の検出を可能にするために、Akoya Biosciences は Advanced Cell Diagnostics (Bio-Techne ブランド) と提携して、単一細胞の空間マルチオミクス ワークフローを開発しました。 昨年導入されたこのワークフローには、Akoya Biosciences の PhenoCycle-Fusion タンパク質イメージング アッセイと、Advanced Cell Diagnostics の RNA イメージング用 RNAScope HiPlex アッセイの自動化バージョンが含まれています。 RNAScope アッセイでは、最大 12 個の RNA ターゲットの単一分子を同時に検出できます。

また、昨年、Vizgen は、標準的な多重化エラーロバスト蛍光 in situ ハイブリダイゼーション (MERFISH) 実験中に RNA とタンパク質を同時に検出する細胞内空間マルチオミクス測定を可能にするタンパク質共検出キットを発表しました。

しかし、これら 2 つのテクノロジーは比較的未成熟であることを考えると、組み合わせるのは時期尚早でしょうか? セント・ジュード小児研究病院の空間オミックス部門ディレクター、ジャスミン・プラマー博士は、この技術は「新しくて刺激的だが、精査にはもっと時間が必要だ」と語る。 彼女は、「これらの技術がどのように機能するかを完全に理解するまでは、RNAであれタンパク質であれ、1つの種に焦点を当てる」ことが理にかなっていると付け加えた。

Bioskryb は、West が「非常に派手なコロニーピッカー」と呼ぶものを (Sartorius との提携を通じて) 使用して、組織切片から細胞を取り出します。 そこから、同社は細胞に対してマルチオミクス分析を実行できます。

ウェスト氏は、浸潤がんについて考えるとき、なぜがんが浸潤しているのかを知りたくなる、と述べています。 「トランスクリプトームの 40 個のマーカーを見てもそれがわかるわけではない」ことに注意すべきだと彼は続けます。 がんは遺伝病であるため、「ゲノムで何が起こっているかを知る必要がある」と彼は言います。

がんの詳細なゲノミクスを行っているときは、単に空間的な画像を見ているだけではなく、時間的な変化を見ていることになる、とウェスト氏は付け加えた。 正常細胞が組織切片を支配しています。 しかし、浸潤がんを引き起こすゲノム不安定性のある後期段階の細胞も存在します。 West 氏は、いくつかの未公開データを参照しながら、Bioskryb が細胞の進行を追跡することができたと GEN に語った。これは「信じられないほどの」偉業であり、同社がこれまでに行った中で最もやりがいのあることの 1 つである、と彼は言う。

しかし、マルチオミクスの有用性はがんをはるかに超えています。 もう一つの重要な分野は、遺伝子および細胞治療の特性評価であり、安全性と有効性の両方が、形質導入効率、ベクターのコピー数、および組み込み部位を効率的に特性評価することに依存する可能性があると、Pradhan 氏は述べています。

そして、マルチオミクスはまだ初期段階にあり、大量のデータ、コスト、アクセシビリティなどの課題はすべて解決する必要がありますが、興奮は、そうでなければ知られていない新しい生物学的理解を明らかにするテクノロジーの能力にあります。到着。

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