Ζυγίζοντας το κύτταρο:Μέτρηση, για πρώτη φορά, πώς συσσωρεύουν μάζα μεμονωμένα κύτταρα (w/ video)
"Αυτό θα μας επιτρέψει να μελετήσουμε όλα τα είδη των θεμελιωδών βιολογικών διεργασιών ως συνάρτηση του μεγέθους των κυττάρων", λέει ο Daniel Needleman, φυσικός και βιοϊατρικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας, Berkeley και συν-ηγέτης της ερευνητικής ομάδας. "Τώρα που έχουμε τη δυνατότητα να κάνουμε αυτές τις μετρήσεις, μπορούμε πραγματικά να ρωτήσουμε:πόσο μεταβλητή είναι η ανάπτυξη ενός κυττάρου; Πόσο ευαίσθητο είναι οι διαταραχές; Πώς εξαρτάται η ανάπτυξη από τα θρεπτικά συστατικά ή το περιβάλλον στο οποίο βρίσκεται το κύτταρο; Τι συμβαίνει με την ανάπτυξη καθώς τα κύτταρα γίνονται καρκινικά και σταματούν να ανταποκρίνονται στα κανονικά σήματα ανάπτυξης; "
"Αυτό είναι πραγματικά ένα τεχνικό ορόσημο στον τομέα της βιολογίας ενός κυττάρου", προσθέτει ο Nevan Krogan, ποσοτικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, το Σαν Φρανσίσκο (UCSF) και ο συν-ηγέτης της ερευνητικής ομάδας. "Θα είναι μετασχηματιστικό για ολόκληρη την κοινότητα, ανοίγοντας νέες δυνατότητες για τη μελέτη των θεμελιωδών βιολογικών και των μηχανισμών ασθενειών σε επίπεδο ενός κυττάρου".
Ο Needleman και ο Krogan είναι συντάκτες μιας μελέτης που περιγράφει την πλατφόρμα και τα αρχικά της αποτελέσματα, που δημοσιεύθηκαν σήμερα (12 Μαΐου 2022) στο περιοδικό Cell. Ενώ μια χούφτα ομάδων έχουν μετρήσει τη μάζα των πληθυσμών των κυττάρων πριν, αυτή η ομάδα ανέπτυξε την πρώτη πλατφόρμα για να σταθμίσει μεμονωμένα κύτταρα σε πραγματικό χρόνο καθώς μεγαλώνουν.
Διαπίστωσαν ότι ο ρυθμός ανάπτυξης ενός μεμονωμένου κυττάρου είναι σταθερός. Δηλαδή, η μάζα της αυξάνεται σταθερά με την πάροδο του χρόνου. Είναι ενδιαφέρον ότι αυτό σημαίνει ότι ο μεταβολικός ρυθμός ενός κυττάρου ανά μονάδα μάζας μειώνεται καθώς αυξάνεται. Με άλλα λόγια, ένα μικρότερο κύτταρο είναι πιο αποτελεσματικό στη μετατροπή ενέργειας από το περιβάλλον του σε ανάπτυξη από ένα μεγαλύτερο κύτταρο. Επιπλέον, οι ερευνητές έδειξαν ότι οι μέθοδοι τους θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη μέτρηση της αποτελεσματικότητας με την οποία λαμβάνουν τα κύτταρα και μετατρέπουν τα εξωτερικά θρεπτικά συστατικά σε ανάπτυξη.
"Ως ποσοτικός βιολόγος, έχω γίνει παθιασμένος με τη χρήση ακριβών, ποσοτικών προσεγγίσεων για τα προβλήματα μελέτης που ήταν, μέχρι πρόσφατα, πολύ δύσκολο ή αδύνατο να μετρηθεί. Για να κάνετε μια συνεισφορά, πρέπει να δημιουργήσετε αυτά τα νέα εργαλεία μέτρησης ", λέει ο Krogan. "Αυτή η προσπάθεια μας απαιτούσε να αναπτύξουμε νέες πειραματικές και υπολογιστικές προσεγγίσεις και να συγκεντρώσουμε επιστήμονες με διαφορετικό υπόβαθρο. Δεν θα ήταν δυνατόν αν είχαμε δουλέψει μεμονωμένα. "
Ζυγίζοντας το Undegable
Η νέα πλατφόρμα που διαχωρίζει τη μικρορευστική ζύγιση - συνδυάζει τα μικρορευστοειδή, η οποία επιτρέπει την ακριβή χειραγώγηση των υγρών στην κλίμακα υπομυλιτρικού, με την ποσοτική απεικόνιση φάσης, μια σχετικά νέα τεχνική μικροσκοπίας που μετρά άμεσα τη μάζα ενός αντικειμένου με βάση το πόσο λυγίζει το φως.
"Η πρώτη τεχνική πρόκληση είναι απλώς χειρισμό και καταγραφή κυττάρων", εξηγεί ο Daniel Fletcher, ένας βιοϊατρικός στο UC Berkeley και συν-συγγραφέας της μελέτης, του οποίου το εργαστήριο ανέπτυξε την πλατφόρμα μικρορευσιακής. "Δεν θέλετε εκατοντάδες χιλιάδες κύτταρα που τρέχουν μέσω του συστήματός σας, γιατί τότε δεν ξέρετε ποιο κύτταρο μετράτε. Αλλά δεν θέλετε επίσης να μετρήσετε ένα κελί κάθε φορά, γιατί αυτό θα διαρκέσει πολύ. Έτσι, παγιδεύουμε δεκάδες ή εκατοντάδες κύτταρα κάθε φορά και μέσα ροής πάνω τους, ώστε να πάρουν τα θρεπτικά συστατικά που χρειάζονται για να επιβιώσουν, αλλά παραμένουν παγιδευμένοι εκεί. Στη συνέχεια, η ομάδα απεικόνισης ήρθε για να βελτιστοποιήσει και να εφαρμόσει την ποσοτική απεικόνιση φάσης. "
Για να επιτευχθεί η απεικόνιση ποσοτικής φάσης, οι ερευνητές έριξαν μια δέσμη φωτός μέσω ενός μικροκαναλικού και πάνω στα κύτταρα, καταγράφοντας μια εικόνα του φωτός όπως προέκυψε από την άλλη πλευρά. Εάν δεν υπήρχε κύτταρο στο κανάλι, το κύμα του φωτός θα ήταν ανενόχλητη. Αλλά όταν υπάρχει ένα κελί, το φως στρέφεται, μεταβάλλοντας ελαφρώς το κύμα. Αυτή η αλλαγή στο κύμα μπορεί να μετατραπεί σε υπολογιστική μετατροπή απευθείας στη μάζα του κυττάρου.
"Με τη μέτρηση της μετατόπισης φάσης του φωτός καθώς διέρχεται από ένα κύτταρο, συμπεραίνουμε τον τοπικό δείκτη διάθλασης του υλικού, ο οποίος σχετίζεται άμεσα με την πυκνότητα του κυττάρου", εξηγεί ο συν-συγγραφέας της μελέτης Aydogan Ozcan, καθηγητής ηλεκτρολόγων μηχανικών και επιστήμης των υπολογιστών και διευθυντής του Ολοκληρωμένου Εργαστηρίου Οπτικών στην UCLA. "Δεδομένου ότι γνωρίζουμε τη χημική σύνθεση του κυττάρου και την πυκνότητα των συστατικών του, αυτό μας επιτρέπει να προσδιορίσουμε με ακρίβεια τη μάζα του κυττάρου".
"Αυτές οι μετρήσεις είναι πραγματικά ευαίσθητες", λέει ο Needleman. "Μπορούμε να μετρήσουμε τις αλλαγές στη μάζα ενός μόνο κυττάρου που αντιστοιχεί σε λιγότερα από 1.000 μόρια νερού που προστίθενται στο κύτταρο".
Καθώς τα κύτταρα στο μικρορευστοειδές θάλαμο απορρόφησαν θρεπτικά συστατικά από το περιβάλλον τους, επεκτάθηκαν και αναπτύχθηκαν στη μάζα, όπως αναμενόταν.
"Αλλά παρατηρήσαμε ότι ο ρυθμός ανάπτυξης δεν άλλαξε καθώς τα κύτταρα έγιναν μεγαλύτερα", λέει ο Needleman. "Αυτό σημαίνει ότι ο μεταβολικός κινητήρας μέσα σε ένα μικρό κελί είναι στην πραγματικότητα πιο αποτελεσματική στη μετατροπή της ενέργειας σε ανάπτυξη από τον κινητήρα ενός μεγαλύτερου κυττάρου".
Η ομάδα ελπίζει ότι άλλοι επιστήμονες θα υιοθετήσουν και θα βελτιώσουν περαιτέρω την τεχνολογία τους για να μελετήσουν την ανάπτυξη πολλών διαφορετικών τύπων κυττάρων υπό διάφορες συνθήκες και περιβάλλοντα, συμπεριλαμβανομένων των συνθηκών της νόσου.
