Läbimurdeline tehnoloogia keskendub üksikute rakkude haigustunnustele

Läbimurdeline tehnoloogia keskendub üksikute rakkude haigustunnustele
Läbimurdeline tehnoloogia keskendub üksikute rakkude haigustunnustele
Anonim

Nii nagu inimpopulatsioonid, koosnevad elusrakkude klastrid ainulaadsete omadustega indiviididest. Traditsioonilised analüüsimeetodid hindavad aga rakke koeagregaatides, jättes sageli tähelepanuta üherakulised nüansid, mis võivad pakkuda väärtuslikke vihjeid tervise ja haiguste kohta.

ASU vanemteadur ja professor Deirdre Meldrum ning tema kolleegid Arizona osariigi ülikooli biodisaini instituudist on teerajajaks omamoodi miniatuurses laboris üksikute rakkude uurimiseks. Cellariumina tuntud elusrakkude massiivi tehnoloogia võimaldab teadlastel uurida üksikute rakkude üksikasjalikku käitumist, pakkudes enneolematut teavet nende rollist haigusprotsessides.

"Nii nagu akvaarium on elusate kalade vaatamiseks ja uurimiseks, on tsellarium elusrakkude vaatamiseks ja uurimiseks, " ütleb Meldrum. "Cellarium on uuenduslik, ühekordselt kasutatav mikrokiibi anduritega elusate üksikute rakkude dünaamiliseks ja suure läbilaskevõimega mõõtmiseks. See on võimeline häiretest põhjustatud biosignatuuride metaboolseid mõõtmisi mitme parameetriga," selgitab ta.

Praegu NIH-lt 1,5 miljoni dollari suuruse toetuse all olev Cellariumi projekt on üle kümne aasta kestnud teaduse arengu vili. Suur osa sellest tööst on tehtud Meldrumi biosignatuuride avastamise automatiseerimise keskusega, multidistsiplinaarse meeskonnaga, mida Meldrum juhib ja mis on pühendanud märkimisväärseid ressursse üherakulise füsioloogia uurimisele. Cellariumi projekti teised olulised uurijad on Honor Glenn, Mark Holl, Laimonas Kelbauskas, Yanqing Tian, ​​Cody Youngbull ja Cliff Anderson.

NIH genoomiteaduste tippkeskus, mis on tuntud kui Biodesigni mikroskaala bioteaduste keskus, mida juhib ka Meldrum, on loonud ja arendanud Cellariumi varajase põlvkonna tehnoloogiat, abistades partnerid Washingtoni ülikoolist Fred. Hutchinsoni vähiuuringute keskus ja Brandeisi ülikool.

Uus toetus on osa NIH Common Fundi projektist, mida tuntakse kui LINCS – Integrated Network-Based Cellular Signatures – raamatukogu, mis on molekulaarsete signatuuride raamatukogu, mis kirjeldab raku käitumist vastusena mitmesugustele häirivatele ainetele.

LINCS-projekti keskne hüpotees on, et rakkude häirimine võib põhjustada muutusi käitumises ja/või funktsioonis, mille tulemuseks on muutused raku või raku fenotüübi jälgitavates füüsikalistes või biokeemilistes omadustes. Fenotüüpsete rakkude muutuste jälgimine vastusena häiretele aitab teadlastel paremini mõista, kuidas rakkudele avalduv keskkonnastress võib põhjustada nende üleminekut haigusseisundisse.

Kuigi Harvardi meditsiinikooli ja Broad Institute'i LINCS-i keskused koguvad aktiivselt molekulaarset teavet, rõhutab Meldrum, et Cellariumi innukas analüütiline võime salvestada reaalajas üksikute elusrakkude dünaamilisi omadusi annab ainulaadse andmekogumi, mida ei ole võimalik saavutada. mis tahes olemasolevat meetodit."Lisame LINCSi andmebaasi üherakulise füsioloogia ja aja mõõtmed," ütleb Meldrum.

Cellariumi massiivikiip võimaldab uurida üksikuid rakke suure läbilaskevõimega formaadis, pakkudes rakkude metabolismi kriitiliste parameetrite mõõtmist, sealhulgas hapnikutarbimist, pH-d, adenosiintrifosfaati (ATP) ja glükoosi. Nende ja teiste üherakuliste muutujate ajas muutumise uurimine aitab teadlastel saada ülevaate rakkude elu- ja surmaprotsessidest, nagu neoplastiline progresseerumine (nt vähk) ja püroptoos või põletikku soodustav rakusurm, mis on seotud mitmesuguste põletikuliste protsessidega. haigused, aga ka südamehaigused, insult ja vähk.

Meldrumi meeskond sai Cellariumi projekti avaaasta toetamiseks rahaliselt 669 794 dollarit ja praegune auhind pakub täiendavat rahastamist kuni 2013. aasta augustini. Järgmise 18 kuu jooksul töötab meeskond välja ühekordse Cellariumi mikrokiibi; kasutada rakuparameetrite lugemiseks kaubanduslikku mikrokiibi skannerit; ja kontrollige tehnoloogia tõhusust, jälgides samaaegselt hapniku, pH, glükoosi ja ATP vastuseid.

Rühm viib läbi uuringuid, mis hõlmavad erinevat tüüpi rakkude häirimist, jälgides nendele sekkumistele metaboolseid reaktsioone ning koostades kirjalikke ja graafilisi protseduure, et hõlbustada andmete mõistmist. Sellised stiimuli-vastuse katsed võivad hõlmata rakkude eksponeerimist biokeemilistele mõjuritele, infektsioonile, ajalisele vihjele, ravimile või mis tahes muule häiringule.

Süsteemi Cellarium saab rakendada ka paljude erinevate rakutüüpide, sealhulgas normaalsete, metaplastiliste, düsplastiliste ja vähirakkude puhul. Kui Cellariumi esialgne versioon mõõdab hapnikutarbimist, pH-d, ATP-d ja glükoosi, siis tulevase töö eesmärk on töötada välja uued andurid, mis suudavad mõõta paljusid täiendavaid rakuparameetreid.

Üksikute rakkude uurimiseks sobivate tingimuste loomine on keeruline. Cellarium tugineb keskkonnakaitseliselt kontrollitavatele kambritele massiivides, mis on varustatud optiliste anduritega, mida saab skaneerida, et paljastada aja jooksul peamised parameetrid.Selle saavutamiseks kaitsevad madalad mikrosüvendid – igaüks mahuga umbes 150 pikoliitrit – uuritavaid rakke, mis seejärel suletakse mikrosüvendisse.

Seejärel saab vaadeldavaid analüüte uurida rakuväliste fluorestsentsandurite abil, mis on võimelised metaboolseid protsesse mitme parameetriga tuvastama. Cellariumi mikrosüvendid mahutavad tuhandeid neid süvendeid sisaldavale massiivile 1 või enam rakku. Kui Cellarium on 2012. aasta lõpuks täielikult välja töötatud, peaks see suutma teostada mitme parameetriga dünaamilisi mõõtmisi tuhandetes rakkudes ühe käigu kohta.

Järgmiseks skannitakse massiivi kiire skanneri abil täpsete ajavahemike järel, et teha kindlaks hapnikutarbimise, rakuvälise pH muutuse ja glükoosi omastamise määrad. Need väärtused on asjakohased vähi metabolismi, normaalse rakkude arengu ja paljude inimeste patoloogiate jaoks. Lõppkokkuvõttes saab intratsellulaarseid fluorestsentsandureid kasutada tuvastatavate parameetrite, sealhulgas ATP suurendamiseks.

Meldrum rõhutab rakupopulatsioonide heterogeensuse tähtsust – ebatüüpiliste, hälbivate rakkude käitumine on haiguse täpse tuvastamise seisukoh alt sageli kõige olulisem. Sellised hälbivad rakud on just need, mis sageli keskmistatakse, kui kasutatakse rakkude hulgiuuringu meetodeid. "Meie elusate ainuraksete tehnoloogiate ja katsetega loodame selgitada peamisi bioloogilisi teid, mis aitavad meil mõista vähki ja muid haigusi ning viivad meid edukate diagnoosideni varajaseks avastamiseks ja lõpuks elukvaliteedi parandamiseks," ütleb Meldrum.

Cellariumil on potentsiaal üherakulise käitumise mõistmise oluliseks parandamiseks, sealhulgas kasvajate moodustumise uurimine ja vähirakkudes täheldatud ebanormaalselt kõrge glükoosi lagunemise kiirus ATP-ks (glükosüülimine) – sümptom tuntud kui Warburgi efekt. Cellarium võib olla õnnistuseks ka farmaatsiaettevõtetele, kes püüavad isikupärastada oma ravimeid patogeenide tuvastamise ja mikroobide analüüsi põhjal.

Pärast tulevasi täiustusi kavatseb rühm platvormi turustada, pakkudes nii teadlastele kui ka kliinilistele diagnostikutele ainulaadse tööriista üherakulise dünaamika uurimiseks.

Populaarne teema