MedUni Wien: Hochdotierte Förderung der FFG für Core Facilities der MedUni Wien

Moderne Infrastruktur für Analyse der RNA- und Proteinexpression in biologischen Proben auf Einzelzellniveau

Die Organisationseinheit (OE) Core Facilities unter Leitung von Johann Wojta hat im Rahmen der F&E-Infrastrukturförderung – Ausschreibung 2022 der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft FFG einen Grant im Ausmaß von 2,3 Mio. Euro für das Projekt „HighWay2Cell – a platform for high resolution single cell omics“ einwerben können. Die Plattform soll es Forscher:innen ermöglichen, in Zukunft die räumlichen Aspekte der Zelltypenheterogenität und Zell-Zell-Wechselwirkungen in erkrankten und gesunden Gewebeproben aufzuklären, indem sie erlaubt das Vorhandensein einer Vielzahl von Proteinen und die Expression von Hunderten bis Tausenden von Transkripten von Proteinen mit bis zu subzellulärer Präzision zu analysieren.

Das Konzept für dieses Projekt und der erfolgreiche Antrag wurde in der OE Core Facilities unter Mitarbeit von Martin Bilban (Genomics), Sophia Derdak (Bioinformatics), Klaus Kratochwill (Proteomics) und Philipp Velicky (Imaging) entwickelt. Von Seiten des IT Systems & Communications (ITSC) hat Bernhard Lorenz am Antrag mitgearbeitet.

Mit dem Grant wird in der OE Core Facilities eine technologieübergreifende Multikomponenten-Hochdurchsatzplattform für die räumliche Analyse der RNA- und Proteinexpression in biologischen Proben auf Einzelzellniveau etabliert werden. Die Plattform wird Bildgebung, Einzelmolekül-Hybridisierung und unterstützende Einzelzell-Proteomik-Technologie einschließen und damit die Analyse der räumlichen Gen- und  Protein-Expression auf subzellulärer Ebene ermöglichen.

Neben der Anschaffung der dafür notwendigen Geräte kann in Zusammenarbeit mit dem ITSC der Medizinischen Universität Wien nun ein High Performance Computing Cluster zur Datenanalyse implementiert werden.

Für Forschungsprojekte in fast allen Bereichen der Biomedizin, insbesondere der personalisierten und der Präzisionsmedizin, besteht ein dringender Bedarf, die Genexpressionsmuster mit der Proteinexpression und ihrer jeweiligen Lokalisierung in einzelnen Zellen und in Geweben zu korrelieren. Mit diesem Wissen ist es möglich, den Einfluss der Mikroumgebung auf physiologische und pathologische Prozesse der Zellregulation besser einzuschätzen und beispielsweise degenerative Erkrankungen zu erkennen oder die Entwicklung von Tumoren auf subzellulärer Ebene zu untersuchen. Bisher wurden solche Messungen in den Core Facilities mit der Visium Technologie (10x Genomics) gemacht, die aber in ihrer aktuellen Version die Genexpression weder auf Einzelzell- noch auf subzellulärer Ebene liefert. Auf Ebene des Proteoms sind bisher keine Analysen von Einzelzellen möglich.

Die „HighWay2Cell“ Plattform soll es Forscher:innen ermöglichen, in Zukunft die räumlichen Aspekte der Zelltypenheterogenität und Zell-Zell-Wechselwirkungen in erkrankten und gesunden Gewebeproben zu analysieren, indem eine Vielzahl von Proteinen und die Expression von Hunderten bis Tausenden von Transkripten von Proteinen mit bis zu subzellulärer Präzision gemessen werden kann. Leistungsstarke Computerressourcen werden die integrative Analyse der so gewonnenen Daten ermöglichen und damit den Wissensgewinn aus diesen Experimenten maximieren. Dazu sollen mit den Projektmitteln folgende Komponenten beschafft werden:

Die vorgesehene  Single Cell Spatial Transcriptomics Komponente ist eine komplette End-to-End-Lösung, einschließlich eines vollautomatischen Instruments für die Hochdurchsatzanalyse und ermöglicht eine in-situ Visualisierung und Quantifizierung der Genexpression in nativen wie auch Formalin-fixierten Gewebeschnitten auf subzellulärem Niveau.

Das für Spatial Proteomics geplante Gerät ermöglicht eine Multiplex-Immunofluoreszenz Bildgebung mittels Lichtmikroskopie. Es erlaubt eine vollautomatisierte Aufnahme und Analyse von dutzenden von Markern auf einer einzigen Probe. Dies minimiert sowohl Arbeitszeit als auch Probenmaterial, erlaubt aber gleichzeitig die Identifizierung einer Vielzahl von Zelltypen und deren Proteinexpressionsmuster in situ.

Um erstmals an der Medizinischen Universität Wien Proteom-Analysen auf Einzelzell-Niveau zu ermöglichen, wird im Rahmen dieses Grants eine Isolationsplattform für Einzelzellisolierung und -dispensierung in Echtzeit und mit hoher Genauigkeit, basierend auf der Pikoliter-Dispensierungstechnologie und gekoppelt mit moderner Bildverarbeitung, etabliert. Das System wird mit bestehenden und zukünftigen Hochleistungs- Massenspektrometrie-Systemen gekoppelt, um die Proteomanalyse von einzelnen Zellen zu ermöglichen. Diese Daten stellen eine signifikante Erweiterung der bisher möglichen Transkriptom-Analysen in Einzelzellen dar, da beispielsweise das Vorliegen von Protein-Isoformen und posttranslationalen Modifikationen untersucht werden kann.

Der vorgesehene High Performance Computing Cluster wird vom ITSC aufgebaut und soll an die bestehende High Performance Computing Infrastruktur (HPC-[GPU] Cluster) angeschlossen werden, die vom ITSC betrieben wird. Dieser Rechencluster wird eine Lücke hinsichtlich universell zugänglicher und zentral verwalteter Rechenressourcen an der Medizinischen Universität Wien schließen und die Medizinische Universität Wien fit für das Zeitalter von Big Data und digitaler und personalisierter Medizin machen. Diese Infrastruktur wird den Benutzer:innen der Core Facilities Zugang zu  hochperformanten Computing Ressourcen für die unabhängige nachgeschaltete Analyse von Experimenten einschließlich großer Genom-, Transkriptom-, Proteom- und Zytometrie-Datensätze, verschaffen, die in den Core Facilities durchgeführt werden. Gemeinsam mit dem ITSC  werden die Core Facilities hiermit eine Hochleistungs-Computing-Infrastruktur anbieten, die allen Benutzer:innen der Core Facilities zur Analyse von Daten, die auf Instrumenten der Core Facilities generiert werden, und allen Forscher:innen an der Medizinischen Universität Wien zur Analyse großer Datenmengen zur Verfügung stehen wird.

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