Koha e vdekjes: Teknologjia e re e nevojshme për saktësi më të madhe

Për studiuesit që studiojnë neurodegjenerimin, kjo mungesë e një deklarate të saktë të "kohës së vdekjes" për neuronet e bën të vështirë për të përcaktuar se cilët faktorë çojnë në vdekjen e qelizave dhe për të kontrolluar barnat që mund të shpëtojnë qelizat e plakjes nga vdekja.              

Tani, studiuesit në Institutin Gladstone kanë zhvilluar një teknologji të re që u lejon atyre të gjurmojnë mijëra qeliza në të njëjtën kohë dhe të përcaktojnë momentin e saktë të vdekjes për çdo qelizë në grup. Ekipi tregoi, në një punim të botuar në revistën Nature Communications, se qasja funksionon në qelizat e brejtësve dhe njerëzve, si dhe në zebrafishin e gjallë dhe mund të përdoret për të ndjekur qelizat për një periudhë prej javësh deri në muaj.

"Marrja e një kohe të saktë të vdekjes është shumë e rëndësishme për zbulimin e shkakut dhe efektit në sëmundjet neurodegjenerative," thotë Steve Finkbeiner, MD, PhD, drejtor i Qendrës për Sistemet dhe Terapeutikën në Gladstone dhe autor i vjetër i të dy studimeve të reja. “Ai na lejon të kuptojmë se cilët faktorë po shkaktojnë drejtpërdrejt vdekjen e qelizave, cilët janë të rastësishëm dhe cilët mund të jenë mekanizma përballues që vonojnë vdekjen.”

Në një punim shoqërues të botuar në revistën Science Advances, studiuesit kombinuan teknologjinë e sensorit të qelizave me një qasje të mësimit të makinës, duke i mësuar një kompjuteri se si të dallojë qelizat e gjalla dhe të vdekura 100 herë më shpejt dhe më saktë se një njeri.

"Studentëve të kolegjit iu deshën muaj të tërë për të analizuar këto lloj të dhënash me dorë dhe sistemi ynë i ri është pothuajse i menjëhershëm - në fakt funksionon më shpejt se sa mund të marrim imazhe të reja në mikroskop," thotë Jeremy Linsley, PhD, një drejtues programi shkencor në Finkbeiner's. lab dhe autori i parë i të dy punimeve të reja.

Mësimi i një sensori të vjetër truke të reja

Kur qelizat vdesin - cilido qoftë shkaku apo mekanizmi - ato përfundimisht fragmentohen dhe membranat e tyre degjenerojnë. Por ky proces degradimi kërkon kohë, duke e bërë të vështirë për shkencëtarët të bëjnë dallimin midis qelizave që kanë kohë që kanë pushuar së funksionuari, atyre që janë të sëmura dhe vdesin dhe atyre që janë të shëndetshme.

Studiuesit zakonisht përdorin etiketa fluoreshente ose ngjyra për të ndjekur qelizat e sëmura me mikroskop me kalimin e kohës dhe përpiqen të diagnostikojnë se ku janë brenda këtij procesi degradimi. Shumë ngjyra treguese, njolla dhe etiketa janë zhvilluar për të dalluar qelizat tashmë të vdekura nga ato që janë ende të gjalla, por ato shpesh veprojnë vetëm për periudha të shkurtra kohore përpara se të zbehen dhe gjithashtu mund të jenë toksike për qelizat kur aplikohen.

“Ne vërtet donim një tregues që të zgjasë për gjithë jetën e një qelize – jo vetëm disa orë – dhe më pas të japë një sinjal të qartë vetëm pas momentit specifik që qeliza vdes”, thotë Linsley.

Linsley, Finkbeiner dhe kolegët e tyre zgjodhën sensorë të kalciumit, të krijuar fillimisht për të gjurmuar nivelet e kalciumit brenda një qelize. Ndërsa një qelizë vdes dhe membranat e saj rrjedhin, një efekt anësor është se kalciumi futet në citosolin me ujë të qelizës, i cili normalisht ka nivele relativisht të ulëta të kalciumit.

Pra, Linsley projektoi sensorët e kalciumit që të qëndrojnë në citosol, ku ata do të fluoreshenojnë vetëm kur nivelet e kalciumit rriten në një nivel që tregon vdekjen e qelizave. Sensorët e rinj, të njohur si treguesi i vdekjes i koduar gjenetikisht (GEDI, i shqiptuar si Jedi në Star Wars), mund të futen në çdo lloj qelize dhe të sinjalizojnë se qeliza është e gjallë ose e vdekur gjatë gjithë jetës së qelizës.

Për të testuar dobinë e sensorëve të ridizajnuar, grupi vendosi nën mikroskop grupe të mëdha neuronesh – secila përmban GEDI. Pasi vizualizuan më shumë se një milion qeliza, në disa raste të prirura ndaj neurodegjenerimit dhe në të tjera të ekspozuara ndaj komponimeve toksike, studiuesit zbuluan se sensori GEDI ishte shumë më i saktë se treguesit e tjerë të vdekjes së qelizave: nuk kishte asnjë rast të vetëm ku sensori ishte u aktivizua dhe një qelizë mbeti e gjallë. Për më tepër, përveç kësaj saktësie, GEDI gjithashtu dukej se zbulonte vdekjen e qelizave në një fazë më të hershme se metodat e mëparshme - afër "pikës së pakthimit" për vdekjen e qelizave.

"Kjo ju lejon të ndani qelizat e gjalla dhe të vdekura në një mënyrë që nuk ka qenë kurrë e mundur më parë," thotë Linsley.

Zbulimi i vdekjes mbinjerëzore

Linsley i përmendi GEDI vëllait të tij-Drew Linsley, PhD, një profesor asistent në Universitetin Brown, i specializuar në aplikimin e inteligjencës artificiale në të dhëna biologjike në shkallë të gjerë. Vëllai i tij sugjeroi që studiuesit të përdorin sensorin, së bashku me një qasje të mësimit të makinës, për të mësuar një sistem kompjuterik të njohë qelizat e gjalla dhe të vdekura të trurit bazuar vetëm në formën e qelizës.

Ekipi bashkoi rezultatet nga sensori i ri me të dhënat standarde të fluoreshencës në të njëjtat neurone dhe ata mësuan një model kompjuterik, të quajtur BO-CNN, të njohë modelet tipike të fluoreshencës që lidhen me atë se si duken qelizat që vdesin. Modeli, treguan vëllezërit Linsley, ishte 96 për qind i saktë dhe më i mirë se sa mund të bëjnë vëzhguesit njerëzorë dhe ishte më shumë se 100 herë më i shpejtë se metodat e mëparshme të diferencimit të qelizave të gjalla dhe të vdekura.

"Për disa lloje qelizash, është jashtëzakonisht e vështirë për një person të kuptojë nëse një qelizë është e gjallë apo e vdekur - por modeli ynë kompjuterik, duke mësuar nga GEDI, ishte në gjendje t'i dallonte ato bazuar në pjesë të imazheve që nuk i kishim njohur më parë. ishin të dobishme në dallimin e qelizave të gjalla dhe të vdekura, "thotë Jeremy Linsley.

Si GEDI ashtu edhe BO-CNN tani do t'i lejojnë studiuesit të kryejnë studime të reja, me rezultat të lartë për të zbuluar se kur dhe ku vdesin qelizat e trurit - një pikë përfundimtare shumë e rëndësishme për disa nga sëmundjet më të rëndësishme. Ata gjithashtu mund të kontrollojnë barnat për aftësinë e tyre për të vonuar ose shmangur vdekjen e qelizave në sëmundjet neurodegjenerative. Ose, në rastin e kancerit, ata mund të kërkojnë ilaçe që përshpejtojnë vdekjen e qelizave të sëmura.

“Këto teknologji ndryshojnë lojën në aftësinë tonë për të kuptuar se ku, kur dhe pse ndodh vdekja në qeliza”, thotë Finkbeiner. “Për herë të parë, ne mund të shfrytëzojmë me të vërtetë shpejtësinë dhe shkallën e ofruar nga përparimet në mikroskopinë e ndihmuar nga robotët për të zbuluar më saktë vdekjen e qelizave dhe ta bëjmë këtë shumë përpara momentit të vdekjes. Shpresojmë që kjo mund të çojë në terapi më specifike për shumë sëmundje neurodegjenerative që deri më tani kanë qenë të pashërueshme.”