Ein interdisziplinäres Forschungsteam der Technischen Universität München, der Helmholtz Universität München und der ETH Zürich hat kürzlich eine wichtige Studie veröffentlicht und einen innovativen Rahmen namens Moscot (Multi-Omics Single-Cell Optimal Transport) vorgestellt. Mit diesem Rahmen wurde erfolgreich die Entwicklungstrajektorie von 1,7 Millionen Maus-Embryonalzellen über 20 Zeitpunkte rekonstruiert. Die in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlichte Studie markiert einen bedeutenden Durchbruch in der Einzelzellgenomik.
Moscot basiert auf der optimalen Transporttheorie aus dem 18. Jahrhundert, die darauf abzielt, Objekte effizient von einem Ort zum anderen zu bewegen. Die Forscher überführten die Aufgaben der biologischen Kartierung und des Abgleichs in optimale Transportprobleme und verwendeten eine Reihe konsistenter Algorithmen, um diese Probleme zu lösen und so die Integration multi-modaler Daten zu ermöglichen. Im Vergleich zu früheren Methoden verbessert Moscot nicht nur die Skalierbarkeit der Berechnungen, sondern vereinheitlicht auch die Anwendung im Zeit- und Raum-Bereich und löst mehrere wichtige Herausforderungen der aktuellen Einzelzellgenomik.
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Hauptautor Dominik Klein erklärt, dass herkömmliche Methoden in der Regel nur begrenzte Zell-Momentaufnahmen liefern und die dynamischen Veränderungen von Zellen während der Entwicklung nicht umfassend erfassen können. Mit Moscot konnte das Forschungsteam die Entwicklungstrajektorie von Maus-Embryonen genauer darstellen und die Wechselwirkungen von Zellen in verschiedenen räumlichen und zeitlichen Kontexten aufzeigen. So gelang es beispielsweise in der Studie zur Entwicklung der Maus-Bauchspeicheldrüse, die Entwicklung von hormonproduzierenden Zellen zu beschreiben und einen wichtigen regulatorischen Faktor, NEUROD2, in humanen induzierten pluripotenten Stammzellen zu identifizieren. Diese Entdeckung bietet neue Perspektiven für das Verständnis der zugrundeliegenden Mechanismen von Diabetes.
Darüber hinaus ist Moscot Open-Source und kann daher von einer breiteren wissenschaftlichen Community genutzt werden. Das Forschungsteam hofft, mit diesem Rahmen die eingehende Erforschung von Krankheitsmechanismen zu fördern und gezieltere Behandlungsmethoden zu ermöglichen.