GEM-X Universal 5′ Gene Expression v3 cung cấp giải pháp vượt trội trong nghiên cứu hệ miễn dịch, giúp làm rõ các cơ chế và chức năng phức tạp của hệ thống này. Công nghệ GEM-X giúp nâng cao hiệu suất thu hồi tế bào lên đến 80% và khả năng ghép nối chính xác toàn bộ chiều dài trình tự chuỗi TCR và BCR. GEM-X cho phép khám phá sự đa dạng của miễn dịch bẩm sinh và miễn dịch thích ứng, bao gồm phát hiện tế bào hiếm, dấu ấn sinh học, và phân tích các tế bào có lượng RNA thấp như neutrophils. Đồng thời, giải pháp này tối ưu hóa phân tích chức năng của tế bào B và T, giúp làm rõ cơ chế đáp ứng miễn dịch đối với nhiễm trùng, liệu pháp miễn dịch, và các bệnh lý khác. Với khả năng multiplexing linh hoạt trên chip (OCM), GEM-X giúp giảm chi phí và tăng cường độ nhạy, đồng thời cho phép phân tích đồng thời 4 mẫu mà không cần thực hiện quy trình gắn nhãn phức tạp, góp phần thúc đẩy nhanh chóng ứng dụng các phát hiện sinh học vào thực tiễn lâm sàng.

A. GEM-X Universal 5′ Gene Expression cho phép phân tích biểu hiện gen toàn diện ở mức độ tế bào đơn.

B. Feature Barcode đo lường hàng trăm protein bề mặt tế bào.

C. Chuỗi thụ thể miễn dịch TCR, BRC giúp nhận diện clonotype khác biệt.

D. Feature Barcode hỗ trợ phân tích chức năng, phát hiện sgRNA (RNA dẫn đường duy nhất) và điều hòa biểu hiện gene khác nhau trong cùng một tế bào.

Các hiệu năng chính:

• Phân tích hàng nghìn gen ở mức tế bào đơn bằng cách mã vạch mRNA đầu 5′, giúp nhận diện loại tế bào và trạng thái tế bào một cách khách quan.
• Phát hiện nhiều gen, UMIs và tăng độ phức tạp thư viện để hiểu rõ hơn về quần thể tế bào miễn dịch.
• Bắt transcript hiếm và tế bào có lượng RNA thấp với độ nhạy cao.
• Phân tích đồng thời quần thể miễn dịch (BCR/TCR) và biểu hiện gen từ cùng một tế bào, giúp liên kết clonotype với kiểu tế bào tương ứng.
• Thu thập chuỗi thụ thể đầy đủ từ tế bào T và/hoặc tế bào B với độ phân giải isotype hoàn chỉnh và tỷ lệ ghép nối V-J cao, cung cấp dữ liệu chức năng để phát hiện kháng thể/TCR.
• Kết hợp biểu hiện gen và phát hiện protein bề mặt tế bào cho phân tích multiomic 
• Tiến hành nghiên cứu tế bào đơn chi phí thấp hơn với giải pháp multiplex dễ dàng trên chip (OCM),  phân tích 4 mẫu mà không cần quy trình gắn nhãn phức tạp.

Bắt đầu với huyền phù tế bào đơn không gắn nhãn (chỉ biểu hiện gen), tế bào gắn nhãn kháng thể oligo-conjugated (cho cả biểu hiện gen và protein bề mặt tế bào)  hoặc tế bào biểu hiện chỉ dẫn CRISPR. Mẫu có thể được phân tích theo quy trình singleplex hoặc multiplex trên chip (OCM) để phân tách đồng thời 4 mẫu độc lập (xem Hình 3). Sau khi tạo GEM, thư viện riêng biệt cho biểu hiện gen và protein bề mặt tế bào được xây dựng từ mỗi mẫu. Dữ liệu giải trình tự sau đó được xử lý qua Cell Ranger và trực quan hóa qua Loupe Browser.

Hình 3. Quy trình multiplex trên chip (OCM)  cho nghiên cứu tế bào đơn tiết kiệm chi phí. Phân tách tế bào từ tối đa 4 mẫu độc lập và thu thập tất cả GEMs vào một giếng thu hồi, không cần gắn nhãn mẫu trước khi nạp lên chip. Các mẫu được phân tách lại qua phân tích tin sinh học sau giải trình tự. Quy trình multiplexing này giảm thời gian thao tác và cho phép phân tích các mẫu không thể gắn nhãn (như mẫu ngoài người/chuột hoặc nhân tế bào), đồng thời hạn chế hao hụt tế bào do quy trình gắn nhãn.

Dữ liệu phân tích thực tế

Trong phần này, chúng ta cùng đi sâu vào dữ liệu được thể hiện và trực quan hóa bằng các loại biểu đồ khác nhau để hiểu rõ thêm về ý nghĩa của công nghệ trong nghiên cứu.

Công nghệ GEM-X Universal 5′ Gene Expression v3 cho phép phân tích protein bề mặt tế bào cùng với thông tin biểu hiện gen nhằm cung cấp cái nhìn toàn diện hơn về bản sắc và chức năng của tế bào. Protein bề mặt tế bào hoạt động như các dấu hiệu xác định các phân nhóm tế bào miễn dịch cụ thể và trạng thái hoạt hóa của chúng, những điều này có thể không được nắm bắt đầy đủ chỉ bằng hồ sơ biểu hiện gen.

Trong các biểu đồ UMAP được hiển thị trong Hình 4, bạn có thể thấy cách kết hợp dữ liệu biểu hiện gen (bảng A) với dữ liệu protein bề mặt tế bào (bảng B) giúp tăng cường khả năng phân biệt các quần thể tế bào chi tiết hơn. Cách tiếp cận multiomic này (tích hợp cả dữ liệu gen và protein) đặc biệt hiệu quả đối với việc nghiên cứu hồ sơ miễn dịch, trong đó các dấu hiệu protein trên bề mặt tế bào có thể nâng cao khả năng phát hiện các quần thể tế bào biểu thị chức năng quan trọng trong đáp ứng miễn dịch, chẳng hạn như: 

1. Phân biệt tế bào miễn dịch và tế bào thường:

• Hình 4B sử dụng protein bề mặt CD45+ để phân biệt giữa tế bào miễn dịch và các loại tế bào thường so với hình 4A.

2. Xác định tế bào đuôi gai (dendritic cells):

Dựa vào FCRE1a marker (hình 4A):

• Marker đặc trưng cho nghiên cứu các tế bào đuôi gai dạng plasma (plasmacytoid dendritic cells – pDCs), không biểu thị cho các tế bào đuôi gai truyền thống (conventional dendritic cells – cDCs).

Bổ sung sử dụng CD11c cell surface marker (hình 4B):

•  CD11c được biểu hiện mạnh trên bề mặt các tế bào thuộc dòng miễn dịch dòng tủy (myeloid lineage), đặc biệt là tế bào đuôi gai truyền thống cDCs.
•  Giúp phát hiện phân nhóm nhỏ khác nhau trong cùng tế bào đuôi gai hiệu quả hơn.

Điều này cho phép các nhà nghiên cứu hiểu sâu hơn về sự đa dạng của tế bào miễn dịch, cung cấp những hiểu biết cần thiết cho các ứng dụng như liệu pháp miễn dịch và nghiên cứu bệnh tật.

A. Biểu đồ UMAP của 7.999 PBMCs, với mỗi tế bào đại diện bởi một chấm, giúp xác định các nhóm tế bào miễn dịch qua các dấu ấn biểu hiện gen. 

B. Biểu đồ UMAP của cùng mẫu được phân nhóm theo biểu hiện protein bề mặt tế bào dựa trên chín dấu ấn.

Bên cạnh đó, GEM-X Universal 5′ Gene Expression v3 cung cấp độ nhạy cao trong việc phân tích cấu trúc và tần suất của các clonotype trong hệ miễn dịch thích ứng. Nhờ vào khả năng xác định chính xác tỷ lệ ghép nối giữa các gene V và J, các nhà nghiên cứu có thể nắm bắt được sự đa dạng và đặc hiệu của các thụ thể miễn dịch, vốn được hình thành thông qua quá trình tái tổ hợp V(D)J ở các tế bào T và B. Đây là quá trình tái tổ hợp ngẫu nhiên của các đoạn gene V (Variable), D (Diversity), và J (Joining), tạo ra hàng triệu kiểu thụ thể khác nhau, giúp cơ thể nhận diện và phản ứng với nhiều loại kháng nguyên đa dạng.

Đặc biệt, khả năng phân tích chi tiết các ghép nối V-J cùng với chuỗi CDR3– vùng quyết định tính đặc hiệu kháng nguyên của thụ thể – với độ nhạy được cải thiện so với NextGEM giúp cung cấp cái nhìn sâu sắc hơn về sự hoạt động và cấu trúc của hệ miễn dịch cụ thể như sau:

• Hiểu rõ hơn về các đáp ứng miễn dịch đặc hiệu: Biết được tần suất và kiểu ghép nối V-J với độ nhạy cao cho phép chúng ta xác định những clonotype nào đặc hiệu cho cách cơ thể đáp ứng với các kháng nguyên liên quan đến bệnh.
• Theo dõi sự thay đổi của clonotype qua thời gian: Tăng độ nhạy giúp xác định chính xác các clonotype, qua đó chúng ta có thể theo dõi cách các tế bào miễn dịch thay đổi và phát triển trong quá trình nhiễm trùng hoặc trong các bệnh miễn dịch.

Hình 5. GEM-X Universal 5′ Gene Expression v3 cung cấp cái nhìn multiomic chi tiết về các loại tế bào miễn dịch trong mẫu ung thư phức tạp. 

A. Biểu đồ UMAP của 4.818 tế bào PBMCs, mỗi tế bào được đại diện bởi một chấm, giúp phân nhóm các tế bào miễn dịch qua dấu ấn biểu hiện gen. 

B. Các clonotype của tế bào T độc và T hỗ trợ được biểu thị trong biểu đồ tổ ong, trong đó mỗi hình lục giác đại diện cho một tế bào T với chuỗi TCR đặc hiệu, phân nhóm theo clonotype.

Hình 6. Tăng cường đáng kể về tỷ lệ ghép nối và độ phức tạp của thư viện với GEM-X Universal 5′ Gene Expression v3.

A. Tỷ lệ ghép nối trung bình của GEM-X (5′ v3) đạt 94%, so với 84% của Next GEM (5′ v2).

B. Tăng 200% và 120% giá trị trung bình UMI của TRA và TRB với GEM-X (5′ v3).

C. Tăng 37% số lượng gen phát hiện được với GEM-X (5′ v3) so với Next GEM (5′ v2). Tất cả các mẫu đều được thí nghiệm trong điều kiện lặp lại.

Thông số kỹ thuật

• 500 đến 20,000 tế bào mỗi kênh, tối đa 160,000 tế bào mỗi lần chạy
• Thực hiện tối đa 8 mẫu cùng một lúc trên cùng 1 chip
• Multiplexing trên chip: Giảm chi phí và công sức, cho phép multiplex tối đa 4 mẫu với 5,000 tế bào/mẫu
• Linh hoạt về kích thước tế bào, không có giới hạn tối thiểu
• Tỷ lệ thu tế bào lên đến 80%
• Tỷ lệ doublet thấp, chỉ 0.4% với mỗi 1000 tế bào

Kết luận 

GEM-X Universal 5′ Gene Expression v3 đại diện cho bước đột phá trong nghiên cứu hệ miễn dịch, cung cấp khả năng phân tích chi tiết và toàn diện các tế bào miễn dịch ở mức độ tế bào đơn. Với công nghệ multiplexing linh hoạt và khả năng ghép nối chính xác, hệ thống này không chỉ nâng cao độ nhạy mà còn giảm chi phí nghiên cứu, giúp khám phá sự đa dạng của hệ miễn dịch bẩm sinh và miễn dịch thích ứng một cách hiệu quả. Các tính năng vượt trội như thu tế bào cao, phát hiện tế bào hiếm, và phân tích multiomic cho phép GEM-X vươn lên là công cụ quan trọng trong nghiên cứu miễn dịch, mở ra cơ hội ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như điều trị ung thư, liệu pháp miễn dịch, và các bệnh lý khác.

Tham khảo

GEM-X Universal 5′ Gene Expression Product Sheet: See the immune system at unmatched resolution with more sensitive immune profiling. https://www.10xgenomics.com/library/4ec27d