Einzelzellebene

Die Einzelzellebene ist eine Analyse- bzw. Beobachtungsebene in den Biowissenschaften, die sich auf einzelne Zellen statt auf Gewebe, Organe oder Organismen konzentriert. Sie zielt darauf ab, zelluläre Prozesse wie Genexpression, Stoffwechsel, Signaltransduktion, Zellzyklus und Differenzierung auf individueller Zellbasis zu verstehen. Im Gegensatz zu Populationen oder Gewebeanalysen, die Mittelwerte liefern, offenbart die Einzelzellebene die Heterogenität zwischen Zellen und ermöglicht die Identifikation seltener Zelltypen oder Zustände.

Zu den zentralen Techniken gehören single-cell sequencing (z. B. scRNA-seq, scATAC-seq), Proteomik auf Einzelzellniveau (CyTOF), Einzelzellproteomik, Live-Cell-Imaging sowie mikrofluidische Plattformen und FACS-basierte Ansätze zur Einzelzelltrennung. Droplet-basierte Systeme ermöglichen die parallele Analyse tausender Zellen; mikroskopische Methoden liefern zeitliche Abläufe in einzelnen Zellen.

Die Auswertung einzelzellbasierter Daten erfordert spezialisierte Software und Modelle. Typische Schritte sind Qualitätskontrolle, Normalisierung, Dimensionenreduktion (PCA, t-SNE, UMAP), Clustering, Identifikation von Markern, sowie Trajektorien- oder Pseudotime-Analysen. Da die Daten oft sparsamen Rauschen und Dropouts unterliegen, sind Techniken zur Imputation und zur Berücksichtigung technischer Variabilität gängig.

Anwendungen der Einzelzellebene finden sich in der Krebsforschung zur Charakterisierung von Tumorheterogenität, in der Immunologie zur Profilierung von Immunzelltypen, in der Entwicklungsbiologie, der Stammzellforschung und der toxicologischen Risikoabschätzung, wo zelluläre Reaktionen auf Substanzen differenziert betrachtet werden.

Herausforderungen sind Kosten, Probenbedarf, technische Variabilität, Batch-Effekte und die komplexe Interpretation der Daten. Zudem erfordern Ergebnisse oft Validierung auf funktionaler Ebene und integrative Analysen über verschiedene Plattformen hinweg.