Laser capture microdissectie: met een lichtstraal precies de juiste cel uitknippen
Stel je een foto voor van een drukke schoolklas, met kinderen van alle leeftijden door elkaar. Als je wilt weten wat er specifiek in het bloed van de tienjarigen omgaat, heeft het weinig zin om van de hele klas gezamenlijk bloed af te nemen: je meet dan een mengeling van alle leeftijden en leert vooral iets over het gemiddelde, niet over de tienjarigen. Laser capture microdissectie (LCM) lost een vergelijkbaar probleem op in weefsel: het is een techniek waarmee onderzoekers onder een microscoop met een laserstraal precies de cellen uitsnijden of oplichten die ze willen onderzoeken, en de rest van het weefsel laten liggen.
Weefsel in het lichaam is namelijk zelden homogeen. Een plakje tumorweefsel bevat naast kankercellen ook bloedvaten, bindweefsel en afweercellen; een plakje hersenweefsel bevat tientallen soorten neuronen door elkaar. Wie dat hele plakje samen analyseert, krijgt een vertekend gemiddelde. LCM maakt het mogelijk om, letterlijk cel voor cel, alleen het gewenste celtype eruit te lichten voordat het DNA, RNA of eiwit ervan wordt bestudeerd. Het is geen nieuwe of opkomende technologie, maar een sinds de jaren negentig gevestigd stukje laboratoriumgereedschap dat nog altijd wordt verbeterd en gecombineerd met modernere analysemethoden.
Wat is het precies?
De procedure begint met een heel dun plakje weefsel, meestal enkele micrometers dik, dat op een glazen objectglaasje ligt — vergelijkbaar met een plakje weefsel dat een patholoog onder de microscoop bekijkt bij een biopsie. Dat plakje wordt onder een speciale microscoop gelegd die is gekoppeld aan een laser en een computerscherm, zodat de onderzoeker precies kan zien welke cellen waar liggen.
Er bestaan twee hoofdvarianten van de techniek, die allebei hetzelfde doel dienen maar op een andere manier werken. Bij de infrarood-variant (IR-LCM) wordt een dun, doorzichtig plastic filmpje over het weefsel gelegd. Op de plek waar de gewenste cellen liggen, richt de onderzoeker kort een infraroodlaser: die verhit lokaal het plastic, waardoor het even smelt en zich als een soort microscopisch stukje kleefpleister aan precies die cellen hecht. Als het filmpje wordt opgetild, gaan de geselecteerde cellen mee, terwijl de rest van het weefsel achterblijft.
Bij de andere hoofdvariant, UV-microdissectie, werkt de laser juist als een heel nauwkeurig mesje: een ultraviolette laserstraal snijdt de omtrek van het gewenste gebied letterlijk los uit het weefsel, waarna het losgesneden stukje door de zwaartekracht of een kleine drukstoot in een opvangbuisje valt. Beide methoden kunnen werken op het niveau van een klein weefselgebied, maar ook op het niveau van een enkele, individuele cel.
Wat er ook uit het weefsel wordt gelicht, het komt terecht in een klein reageerbuisje. Daarna volgt pas het eigenlijke onderzoek: uit de geïsoleerde cellen wordt DNA, RNA of eiwit gehaald, dat vervolgens met technieken als PCR, sequencing of massaspectrometrie wordt geanalyseerd. LCM zelf is dus geen analysetechniek, maar een voorbereidende stap: het zorgt voor een zuiver uitgangsmateriaal voordat de eigenlijke moleculaire meting begint.
Wat wil men ermee bereiken?
Het achterliggende doel is eenvoudig: zuiverheid. Zonder microdissectie moet een onderzoeker vaak een heel stukje weefsel vermalen en analyseren, met alle celtypen die daarin toevallig aanwezig waren. In een tumor kan dat betekenen dat het signaal van de kankercellen wordt verdund door omliggend gezond weefsel, bloedvaten en immuuncellen, waardoor subtiele maar belangrijke verschillen verloren gaan in het gemiddelde.
Door specifiek de cellen van interesse te isoleren — bijvoorbeeld alleen de tumorcellen, of alleen een bepaald type neuron — kunnen onderzoekers een veel scherper beeld krijgen van wat er in die specifieke cellen daadwerkelijk gebeurt op DNA-, RNA- of eiwitniveau. Dat is essentieel voor vragen als: welke mutaties zitten er precies in de tumorcellen zelf, en niet in het omringende weefsel? Welke genen zijn actief in één specifiek type hersencel, terwijl buurcellen heel andere genen aan hebben staan? Dat soort precisie is vaak onmogelijk te bereiken zonder eerst het juiste materiaal fysiek te scheiden van de rest.
Voorbeelden uit de praktijk
De techniek werd in de jaren negentig ontwikkeld bij het Amerikaanse National Cancer Institute (NCI, onderdeel van de National Institutes of Health), onder leiding van onder anderen Lance Liotta en Michael Emmert-Buck. De methode werd in 1996 voor het eerst beschreven in het wetenschappelijke tijdschrift Science, wat gewoonlijk wordt gezien als het startpunt van LCM als gestandaardiseerde labtechniek.
Kort daarna werd de technologie gecommercialiseerd, onder meer door het bedrijf Arcturus Engineering, dat de eerste in de handel verkrijgbare LCM-apparatuur op de markt bracht. Die technologie is via een reeks overnames uiteindelijk terechtgekomen bij Thermo Fisher Scientific, dat LCM-systemen nog altijd als standaardproduct voert.
In de kankergenomica is de techniek veelvuldig gebruikt om de zogeheten tumorzuiverheid van weefselmonsters te waarborgen: door met LCM gericht tumorcellen te isoleren en apart van gezond weefsel te sequencen, konden grote genomica-initiatieven zoals The Cancer Genome Atlas (TCGA, actief tussen ongeveer 2006 en 2018) betrouwbaardere mutatieprofielen van tumoren opstellen.
In de neurowetenschap is LCM gebruikt om specifieke, kwetsbare celpopulaties te isoleren, bijvoorbeeld dopamineproducerende neuronen in de substantia nigra bij onderzoek naar de ziekte van Parkinson, of om moleculair onderzoek te doen naar amyloïde plaques bij de ziekte van Alzheimer. De precieze aantallen en jaartallen van dit soort studies verschillen sterk per onderzoeksgroep en publicatie, maar het principe — eerst de relevante cellen isoleren, dan pas analyseren — is in beide onderzoeksvelden veelgebruikt gebleken.
Sinds de jaren 2020 wordt LCM steeds vaker ingezet als aanvulling op nieuwere technieken zoals single-cell sequencing en spatial transcriptomics (technieken die de genactiviteit van individuele cellen of hele weefselplakjes tegelijk in kaart brengen). LCM wordt dan gebruikt om, na een eerste ruwe kartering met zo'n moderne methode, gericht een interessant gebied of celtype fysiek te isoleren voor verdiepend vervolgonderzoek.
Hoe ver is de techniek?
Het is belangrijk om LCM niet te verwarren met opkomende, nog onbewezen toekomsttechnologie: het is een volwassen, breed gevestigde laboratoriumtechniek die al sinds het einde van de jaren negentig en het begin van de jaren 2000 commercieel verkrijgbaar is. Pathologielaboratoria en onderzoeksinstituten over de hele wereld gebruiken LCM-apparatuur al decennialang als routineonderdeel van hun werk.
De ontwikkelingen van de laatste jaren zitten dan ook minder in de kerntechnologie zelf — het principe van laser plus microscoop is grotendeels ongewijzigd — en meer in de randvoorwaarden eromheen: verdergaande automatisering van het selectieproces, software die met behulp van kunstmatige intelligentie helpt om de juiste cellen op basis van beeldherkenning te herkennen en te markeren, en een steeds nauwere koppeling met gevoelige downstream-analysemethoden zoals single-cell sequencing en massaspectrometrie-gebaseerde eiwitanalyse.
De techniek kent ook praktische beperkingen die nog altijd gelden. Uit een enkele microdissectie komt vaak maar een minieme hoeveelheid DNA, RNA of eiwit vrij, wat voor sommige gevoelige analyses een uitdaging blijft. Daarnaast is het een arbeidsintensief proces dat geschoolde, ervaren operators vereist om onder de microscoop betrouwbaar de juiste cellen te herkennen en te selecteren; het is dus geen techniek die zich makkelijk laat opschalen naar duizenden monsters tegelijk.
Wie werken eraan?
De oorspronkelijke technologie is ontwikkeld bij het National Cancer Institute, onderdeel van de Amerikaanse National Institutes of Health (NIH), dat de basisprincipes van LCM patenteerde en licentieerde aan de industrie. Op commercieel vlak is Thermo Fisher Scientific vandaag de dag een belangrijke aanbieder van infrarood-gebaseerde LCM-systemen, voortbouwend op de oorspronkelijke Arcturus-technologie.
Voor de UV-gebaseerde variant zijn Leica Microsystems (met zijn LMD-systemen) en Carl Zeiss (met het PALM MicroBeam-systeem) de bekendste aanbieders. Ook het kleinere bedrijf Molecular Machines & Industries (MMI) levert met zijn CellCut-systemen apparatuur voor laser microdissectie.
Daarnaast wordt de techniek toegepast door duizenden academische pathologie-afdelingen, kankercentra en genomica-instituten wereldwijd, van de Verenigde Staten en Europa tot Japan en China. LCM is daarmee minder het domein van één land of instituut, en meer een algemeen beschikbaar stuk laboratoriuminfrastructuur dat overal ter wereld wordt ingezet waar onderzoekers behoefte hebben aan zuivere celpopulaties.