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Im vergangenen Jahrzehnt haben Next-Generation-Sequenzierung und hochauflösende Bildgebung sich zusammengearbeitet, um die räumliche Transkriptomik voranzubringen, eine Methode der vollständigen Transkriptom-Quantifizierung, während die genaue Position jedes Transkripts in Gewebeschnitten 1,2 erhalten bleibt. In Kombination mit dem schnell reifenden Single-Cell RNA-Sequencing (scRNA-seq)-Feld bieten räumliche Ansätze einen effizienten Weg, Gensignaturen mit bestimmten Zelltypen, Zuständen und Nischen innerhalb eines Gewebes oder Organs zu verknüpfen, was unser Verständnis der Krankheitsmechanismen erheblich bereichert 3,4,5,6,7 . Mehrere kommerzielle Plattformen werden entwickelt, wie 10X Visium, NanoString GeoMx und CosMx, Slide-seq und DBiT-seq, die jeweils von Protokollen unterstützt werden, die für weiche, hochzelluläre Gewebe wie Tumore und Gehirngewebe optimiert sind. Das Fachgebiet erlebt ein explosionsartiges Wachstum, wobei PubMed im Jahr 2023 etwa 150 Publikationen indexiert, im Jahr 2024 fast 300 und voraussichtlich 500 im Jahr 2025 überschreiten wird. Trotz dieses Anstiegs bleibt die Gefäßbiologie im Vergleich zu Krebs, Neurowissenschaften und Immunologie unterrepräsentiert.
Harte oder mineralisierte Gewebe wie Knochen, Knorpel, Zähne und plaquehaltige, verkalkte Arterien oder Venen haben sich als deutlich weniger förderlich erwiesen. Die technischen Hürden sind vielschichtig. Erstens erfordern die Gewebe mit dichten Mineralmatrizen eine Chelat- oder säurebasierte Entfernung, aggressive Behandlungen, die RNA fragmentieren und die Gewebemorphologie verzerren können. Zweitens enthalten kranke Gewebe, entweder verletzt oder fibrotisch, oft nur wenige lebende Zellen, die in einer umfangreichen extrazellulären Matrix (ECM) eingebettet sind, was die Transkriptausbeute reduziert und die Datennormalisierung erschwert. Darüber hinaus besitzen Gefäßgewebe eine dünne, konzentrische Architektur (Intima, Media, Adventitia), die um ein hohles Lumen gewickelt ist. Die begrenzte Wanddicke, insbesondere die einzellige Intima-Schicht, bedeutet, dass Aufnahmebereiche spärliches Gewebe enthalten können, und Abschnitte können während mehrstündiger Färbung und Hybridisierung reißen oder ablösen. Daher bleiben räumliche transkriptomische Untersuchungen von Gefäßgewebe selten, obwohl Herz-Kreislauf-Erkrankungen weltweit zu den häufigsten Todesursachen und schweren Morbiditäten gehören. Existierende Protokollpapiere legen überwiegend Wert auf Datenverarbeitung, Visualisierung oder andere Plattformen als NanoString GeoMx 8,9,10,11,12,13. Unter diesen Arbeiten beschreiben nur wenige Methoden auf Labortisch zur Behandlung erkrankter Tibiaarterien, einem klinisch relevanten Gefäß bei peripherer Herzkrankheit (PAD), insbesondere bei diabetischen Patienten, die einen zunehmenden Anteil der betroffenen Population ausmachen.
Um diese Lücke zu schließen, präsentieren wir einen umfassenden Arbeitsablauf für verkalkte menschliche Tibiaarterien, die von PAD-Patienten mit einer Amputation gewonnen wurden. Das Protokoll umfasst: (1) Gewebeschnitt und -dissektion unmittelbar nach der Entnahme im Operationssaal; (2) korrekte Gewebefixierung und Entkalkung, die die Integrität von Gewebemorphologie und RNA erhalten; (3) Bau kostensparender Gewebe-Mikroarrays (TMAs) zur Minimierung von Chargeneffekten; (4) RNAscope-in-situ-Hybridisierung und histologische Kalziumfärbung zur Qualitätskontrolle; und (5) eine speziell für verkalkte Tibialarterien (ROI) entwickelte Strategie für verkalkte Tibialarterien auf der GeoMx Digital Spatial Profiler (DSP)-Plattform. Diese Schritte umfassen alle Verfahren vor der Probenentnahme auf dem DSP-Instrument, Bibliotheksvorbereitung, Sequenzierung und Datenanalyse.
Obwohl auf der referenzierten DSP-Plattform demonstriert, können die Prinzipien die Gewebevorbereitung für 10X Visium oder andere Plattformen leiten, und die Methodik lässt sich leicht an zusätzliche Gefäßbetten oder Tiermodelle anpassen. Dieses Protokoll kann für Biobank- und postmortales Gewebe angepasst werden, hängt jedoch wesentlich von Gewebeerhaltung, Fixierung und Speicherbedingungen ab. Das Gewebe sollte sofort nach der Ernte fixiert werden, um die ischämische Zeit zu minimieren (idealerweise innerhalb von 1 Stunde). Standardmäßiges 10 % neutralgepuffertes Formalin (NBF) wird für mindestens 16 Stunden bei Raumtemperatur (RT) empfohlen. Gewebe sollten umgehend nach der Fixierung eingebettet werden und nicht länger als 3 Tage in Ethanol gelagert werden. Formalinfixierte, paraffin-eingebettete (FFPE)-Blöcke, die unter empfohlenen Bedingungen verarbeitet und gelagert werden, bleiben etwa 3 Jahre lang für räumliche Profilierung geeignet, obwohl die RNA-Qualität mit dem Blockalter abnimmt. Dementsprechend wird eine RNA-Qualitätsbewertung für Proben mit niedriger Zellulärität, Blöcke, die über 6 Monate gelagert werden, Biobankproben und postmortale Gewebe empfohlen. Die minimal akzeptable RNA-Qualität hängt vom ausgewählten Assay, der ROI-Auswahl, der gewünschten Auflösung und den Empfehlungen der Kernanlage ab. In der Praxis werden für robuste Ergebnisse üblicherweise etwa 50–100 Kerne pro Segment empfohlen. Die DSP-Plattform unterstützt sowohl FFPE als auch frisch gefrorene Gewebe. In diesem Protokoll konzentrieren wir uns auf FFPE-Gewebe.
Während sich diese Studie auf räumliche Transkriptomik konzentriert, lässt sie sich leicht mit scRNA-seq integrieren. Mit veröffentlichten scRNA-seq-Datensätzen und rechnergestützter räumlicher Dekonvolution können Zelltypproportionen für jeden räumlichen Fleck geschätzt werden, und scRNA-seq-definierte Zellzustände können auf die Gewebearchitektur projiziert werden. Durch die Aufrechterhaltung sowohl der Struktur als auch der RNA-Integrität ermöglicht unser Protokoll eine nachgelagerte Validierung von Einzelzellen oder Einzelmoleküln, maximiert biologische Erkenntnisse aus wertvollen Gefäßproben und eine breitere Einführung räumlicher Transkriptomik in der vaskulärbiologischen Forschung.