Wakati wa Kifo: Teknolojia Mpya Inahitajika kwa Usahihi Zaidi

Kwa watafiti wanaosoma kuhusu kuzorota kwa mfumo wa neva, ukosefu huu wa tamko sahihi la "wakati wa kifo" kwa niuroni hufanya iwe vigumu kubainisha ni mambo gani husababisha kifo cha seli na kuchunguza dawa ambazo zinaweza kuokoa seli za kuzeeka zisife.              

Sasa, watafiti katika Taasisi za Gladstone wameunda teknolojia mpya inayowaruhusu kufuatilia maelfu ya seli kwa wakati mmoja na kubaini wakati hususa wa kifo cha seli yoyote kwenye kikundi. Timu ilionyesha, katika karatasi iliyochapishwa katika jarida la Nature Communications, kwamba mbinu hiyo inafanya kazi katika seli za panya na binadamu na vile vile ndani ya zebrafish hai, na inaweza kutumika kufuata seli kwa kipindi cha wiki hadi miezi.

"Kupata wakati sahihi wa kifo ni muhimu sana kwa kufunua sababu na athari katika magonjwa ya neurodegenerative," anasema Steve Finkbeiner, MD, PhD, mkurugenzi wa Kituo cha Mifumo na Tiba huko Gladstone na mwandishi mkuu wa tafiti zote mbili mpya. "Inaturuhusu kujua ni mambo gani yanayosababisha kifo cha seli moja kwa moja, ambayo ni ya bahati nasibu, na ambayo inaweza kuwa njia za kukabiliana na kuchelewesha kifo."

Katika karatasi sanjari iliyochapishwa katika jarida la Sayansi ya Maendeleo, watafiti walichanganya teknolojia ya sensor ya seli na mbinu ya kujifunza mashine, wakifundisha kompyuta jinsi ya kutofautisha seli hai na zilizokufa mara 100 haraka na kwa usahihi zaidi kuliko mwanadamu.

"Iliwachukua wanafunzi wa chuo miezi kuchanganua aina hizi za data kwa mkono, na mfumo wetu mpya ni wa papo hapo - kwa kweli unaendesha haraka kuliko tunaweza kupata picha mpya kwenye darubini," anasema Jeremy Linsley, PhD, kiongozi wa programu ya kisayansi katika Finkbeiner's. maabara na mwandishi wa kwanza wa karatasi zote mbili mpya.

Kufundisha Mbinu Mpya za Sensor ya Zamani

Seli zinapokufa—hata iwe sababu au utaratibu gani—hatimaye hugawanyika na utando wao huharibika. Lakini mchakato huu wa uharibifu huchukua muda, na kufanya iwe vigumu kwa wanasayansi kutofautisha kati ya seli ambazo zimeacha kufanya kazi kwa muda mrefu, zile ambazo ni wagonjwa na zinazokufa, na zile zenye afya.

Watafiti kwa kawaida hutumia vitambulisho vya fluorescent au rangi kufuata seli zilizo na ugonjwa kwa darubini baada ya muda na kujaribu kutambua mahali zilipo ndani ya mchakato huu wa uharibifu. Rangi nyingi za kiashirio, madoa, na lebo zimetengenezwa ili kutofautisha seli ambazo tayari zimekufa na zile ambazo bado ziko hai, lakini mara nyingi hufanya kazi kwa muda mfupi tu kabla ya kufifia na pia zinaweza kuwa sumu kwa seli zinapowekwa.

“Kwa kweli tulitaka kiashirio kitakachodumu maisha yote ya chembe—si kwa saa chache tu—kisha kutoa ishara wazi baada tu ya wakati hususa chembe kufa,” asema Linsley.

Linsley, Finkbeiner, na wenzao walichagua vihisi vya kalsiamu, vilivyoundwa awali kufuatilia viwango vya kalsiamu ndani ya seli. Seli inapokufa na utando wake kuvuja, athari moja ni kwamba kalsiamu huingia kwenye cytosol yenye maji ya seli, ambayo kwa kawaida huwa na viwango vya chini vya kalsiamu.

Kwa hivyo, Linsley alitengeneza vitambuzi vya kalsiamu ili vikae kwenye saitosoli, ambapo vingeruka wakati viwango vya kalsiamu vilipoongezeka hadi kiwango kinachoonyesha kifo cha seli. Vihisi vipya, vinavyojulikana kama kiashirio cha kifo kilichosimbwa kwa vinasaba (GEDI, kinachotamkwa kama Jedi kwenye Star Wars), kinaweza kuingizwa kwenye aina yoyote ya seli na kuashiria kwamba seli iko hai au imekufa katika maisha yote ya seli.

Ili kupima matumizi ya vitambuzi vilivyoundwa upya, kikundi kiliweka vikundi vikubwa vya niuroni-kila moja ikiwa na GEDI-chini ya darubini. Baada ya kuibua seli zaidi ya milioni moja, katika hali zingine kukabiliwa na uharibifu wa mfumo wa neva na kwa zingine zilizowekwa wazi kwa misombo ya sumu, watafiti waligundua kuwa kihisi cha GEDI kilikuwa sahihi zaidi kuliko viashiria vingine vya kifo cha seli: hakukuwa na kesi moja ambapo sensor ilikuwa. kuanzishwa na seli kubaki hai. Zaidi ya hayo, pamoja na usahihi huo, GEDI pia ilionekana kugundua kifo cha seli katika hatua ya awali kuliko mbinu za awali-karibu na "hatua ya kutorudi" kwa kifo cha seli.

"Hii hukuruhusu kutenganisha seli zilizo hai na zilizokufa kwa njia ambayo haijawahi kuwezekana hapo awali," anasema Linsley.

Utambuzi wa Kifo cha Superhuman

Linsley alitaja GEDI kwa kaka yake-Drew Linsley, PhD, profesa msaidizi katika Chuo Kikuu cha Brown ambaye ana utaalam wa kutumia akili ya bandia kwa data kubwa ya kibaolojia. Kaka yake alipendekeza kuwa watafiti watumie sensor, pamoja na mbinu ya kujifunza mashine, kufundisha mfumo wa kompyuta kutambua seli za ubongo zilizo hai na zilizokufa kulingana na umbo la seli tu.

Timu iliunganisha matokeo kutoka kwa kitambuzi kipya na data ya kawaida ya umeme kwenye niuroni sawa, na walifundisha muundo wa kompyuta, unaoitwa BO-CNN, kutambua mifumo ya kawaida ya umeme inayohusishwa na jinsi seli zinazokufa zinavyoonekana. Mfano huo, ndugu wa Linsley walionyesha, ulikuwa sahihi kwa asilimia 96 na bora zaidi kuliko wachunguzi wa binadamu wanaweza kufanya, na ulikuwa wa haraka zaidi ya mara 100 kuliko mbinu za awali za kutofautisha seli zilizo hai na zilizokufa.

"Kwa aina fulani za seli, ni vigumu sana kwa mtu kujua ikiwa seli iko hai au imekufa - lakini muundo wetu wa kompyuta, kwa kujifunza kutoka kwa GEDI, uliweza kuzitofautisha kulingana na sehemu za picha ambazo hatukuwa tunajua hapo awali. zilisaidia katika kutofautisha chembe hai na zilizokufa,” asema Jeremy Linsley.

GEDI na BO-CNN sasa zitaruhusu watafiti kufanya tafiti mpya, zenye matokeo ya juu ili kugundua ni lini na wapi seli za ubongo hufa—mwisho muhimu sana kwa baadhi ya magonjwa muhimu zaidi. Wanaweza pia kukagua dawa kwa uwezo wao wa kuchelewesha au kuzuia kifo cha seli katika magonjwa ya mfumo wa neva. Au, katika kesi ya saratani, wanaweza kutafuta dawa zinazoharakisha kifo cha seli zilizo na ugonjwa.

"Teknolojia hizi ni za kubadilisha mchezo katika uwezo wetu wa kuelewa ni wapi, lini, na kwa nini kifo hutokea katika seli," asema Finkbeiner. "Kwa mara ya kwanza, tunaweza kutumia kasi na kiwango kinachotolewa na maendeleo ya hadubini inayosaidiwa na roboti ili kugundua kifo cha seli kwa usahihi zaidi, na kufanya hivyo mapema kabla ya kifo. Tunatumahi hii inaweza kusababisha matibabu maalum zaidi kwa magonjwa mengi ya mfumo wa neva ambayo hadi sasa hayajatibika.