Identifizierung und Analyse myogener Vorläuferzellen in vivo während akuter Skelettmuskelverletzung mittels hochdimensionaler Einzelzell-Massenzytometrie
December 1st, 2023
Das hier vorgestellte Protokoll ermöglicht die Identifizierung und hochdimensionale Analyse von Muskelstamm- und Vorläuferzellen mittels Einzelzell-Massenzytometrie und deren Aufreinigung durch FACS für vertiefte Studien ihrer Funktion. Dieser Ansatz kann angewendet werden, um die Regenerationsdynamik in Krankheitsmodellen zu untersuchen und die Wirksamkeit pharmakologischer Interventionen zu testen.
Unsere Forschung untersucht die molekularen Mechanismen, die der Dysfunktion von Stammzellen bei Alterung und Krankheit zugrunde liegen. Unser Ziel ist es zu verstehen, wie Muskelstamm- und Vorläuferzellen mit anderen Zellen in der Muskelmikroumgebung interagieren, um eine effektive Regeneration zu erreichen. Wir untersuchen auch, ob eine unfruchtbare Zellkommunikation die Funktion von Muskelstammzellen im Alter und bei Krankheiten beeinflusst.
Ein großes Hindernis für die Untersuchung der Zell-Zell-Kommunikation innerhalb der Stammzellnische war der Mangel an Technologien, die eine Einzelzellauflösung bieten. Die Einzelzell-Massenzytometrie ermöglicht die gleichzeitige quantitative Hochdurchsatzanalyse an mehreren Zelltypen und molekularen Phänotypen in komplexen Geweben. Unser Protokoll ermöglicht die Aufreinigung und ein tiefes Profiling von seltenen Stammzellen und den Nachkommen während der Muskelregeneration unter Verwendung von Antikörpern gegen Zelloberflächenmarker und myogene Transkriptionsfaktoren.
Die Untersuchung dieser Zellen hilft uns zu verstehen, wie das Schicksal von Muskelstammzellen gesteuert wird, und die Netzwerke aufzudecken, die Zellzustandsübergänge antreiben und eine effektive Regeneration ermöglichen. Die gleichzeitige Messung von bis zu 50 Zelloberflächen- und intrazellulären Proteinen auf Einzelzellebene ist ein wertvoller Ansatz zur Untersuchung der zellulären Funktion im Muskelgewebe. Diese Technik kann einzigartige molekulare Signaturen identifizieren und neue Mechanismen der Funktionsstörung von Muskelstammzellen bei Alterung und Krankheit aufdecken.
Dieses Protokoll ermöglicht es zu untersuchen, wie sich der Zellzustandsübergang auf die Geweberegeneration bei Gesundheit und Krankheit auswirkt. Die Signatur aktivierter Stammzellen, die wir hier vorstellen, ermöglicht es, die Ruhe von Stammzellen zu untersuchen. Früher waren sie nicht möglich.
Wir können nun aktivierte Stammzellen, CD98 High, CD44 High, ausschließlich auf der Grundlage von Zelloberflächenmarkern aufreinigen und zum ersten Mal untersuchen, wie sie wieder in den Ruhezustand zurückkehren.
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Überblick
Diese Forschung untersucht die molekularen Mechanismen der Muskelstamm- und Vorläuferzelldysfunktion bei Alterung und Krankheit. Durch die Anwendung von Einzelzell-Massenzytometrie und FACS konzentriert sich die Studie darauf, wie diese Zellen innerhalb der Muskelmikroumgebung interagieren und welche Rolle sie bei der Regenerationsdynamik spielen, um Einblicke in potenzielle therapeutische Interventionen zu gewinnen.
Wichtige Studienkomponenten
Forschungsbereich
- Muskelbiologie
- Stammzellfunktion
- Regenerationsdynamik
Hintergrund
- Stammzelldysfunktion beeinflusst die Geweberegeneration bei Alterung und Krankheit.
- Effektive Zell-Zell-Kommunikation ist innerhalb der Stammzellnische entscheidend.
- Frühere Technologien verfügten nicht über Einzelzellauflösung für detaillierte Studien.
Verwendete Methoden
- Einzelzell-Massenzytometrie für hochdimensionale Analyse.
- FACS (Fluoreszenz-aktivierte Zellsortierung) für Zellreinigung.
- In-vivo-Mausmodelle für Regenerationsstudien.
Hauptergebnisse
- Identifizierung einzigartiger molekularer Signaturen in Muskelstammzellen.
- Einblicke in die Quieszenz und Reaktivierung von Stammzellen.
- Charakterisierung von Zellzustandsübergängen, die für eine effektive Regeneration wichtig sind.
Schlussfolgerungen
- Diese Studie zeigt die Nützlichkeit fortschrittlicher Zytometrietechniken zum Verständnis der Muskelstammzellbiologie.
- Die Ergebnisse sind relevant für die Entwicklung therapeutischer Strategien für altersbedingte Muskeldegeneration.
Häufig gestellte Fragen
Executive Industry Relevance
High-dimensional single-cell mass cytometry enables precise identification and profiling of myogenic progenitors and stem cells during acute skeletal muscle injury, addressing a critical gap in understanding regenerative dynamics. This capability enhances predictive confidence in target validation and mechanistic de-risking for muscle disease and regenerative medicine portfolios. The approach supports risk-adjusted advancement decisions by providing quantitative, reproducible cellular insights relevant to early discovery and translational research.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables interrogation of therapeutic hypotheses by resolving cellular and molecular dynamics during muscle regeneration.
- Supports functional target validation through identification of activated stem and progenitor cell states using multiplexed markers.
- Facilitates mechanistic de-risking by revealing cell state transitions and dysfunction signatures in disease models.
- Improves predictive confidence for portfolio triage by quantifying rare cell populations and their activation status.
Screening & Assay Development
- Prepares validated biological systems for downstream screening by isolating defined stem and progenitor populations via FACS.
- Enables assay standardization and reproducibility through quantitative, high-dimensional protein measurements at single-cell resolution.
- Supports scalable screening readiness by allowing simultaneous analysis of up to 50 markers per cell.
- Provides reliable quantitative outputs for compound evaluation in disease-relevant systems.
Translational & Preclinical Research
- Aligns with disease-relevant models by enabling in vivo analysis of stem and progenitor cell dynamics post-injury or pharmacological intervention.
- Supports translational biomarker discovery by linking molecular signatures to regenerative outcomes.
- Facilitates continuity from discovery through preclinical validation by enabling functional studies of isolated cell populations.
- De-risks preclinical advancement by providing mechanistic insights into stem cell dysfunction in aging and disease.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates from early discovery through lead identification and preclinical research, supporting hypothesis testing, pathway clarification, and biological de-risking in muscle regeneration studies.
- Discovery Biology: Quantitative profiling of stem and progenitor cells clarifies regenerative pathways and cell fate decisions.
- Screening: High-dimensional marker analysis ensures assay readiness and reproducibility for downstream applications.
- Analytics: Multiplexed protein measurements and clustering algorithms enable robust comparison of cellular states and conditions.
- Translational Research: In vivo application in disease models supports biomarker alignment and translational continuity.
- Enterprise Reuse: The platform is adaptable for diverse regenerative and disease model studies, supporting broad R&D reuse.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in target validation.
- Operational Value: Delivers standardized, reproducible, and scalable single-cell analytics for rare cell populations.
- Strategic Value: Enables informed go/no-go decisions and capital-efficient portfolio management by quantifying regenerative cell dynamics.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization and advancement of regenerative and disease-modifying programs.
Implementation Considerations
- Requires expertise in single-cell cytometry, FACS, and high-dimensional data analysis.
- Demands access to mass cytometry instrumentation and advanced computational infrastructure.
- Necessitates cross-team standardization of antibody panels and gating strategies for reproducibility.
- Adaptation across different muscle injury or disease models may require marker panel optimization.
- Throughput and sensitivity are limited by instrument capacity and rare cell abundance.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:00
Introduction
1:59
Induction of Acute Injury by Notexin Injection in the Mouse Skeletal Muscle
3:36
Dissection of the Mouse Skeletal Muscle After Notexin Injury and Cell Dissociation Procedure for Single‐Cell Analysis
5:17
Live/Dead Staining of Skeletal Muscle Cells,Isolated from Notexin‐Injured Mice,with Cisplatin and Paraformaldehyde Fixation
7:38
Skeletal Muscle Cells Preparation for Loading into Mass Cytometer and CyTOF Data Analysis
