בסרטוני זמן-lapse חדשים ומדהימים, ננו-חלקיקים ביולוגיים מסתובבים ומרחפים על פני שדה כוכבים של נקודות זוהרות. מונחים על ידי הכימיה הבלתי נראית של משיכה, מטיילים מיקרוסקופיים אלה מתקבצים בסופו של דבר ליצירת עיגולים עגולים וזוהרים לחלוטין על משטח שחור.
הסרטונים החדשים המהפנטים הללו מתאפשרים עם LEVA (ספיחת שלפוחית חוץ תאית וחלקיקים המושרה על ידי אור), טכנולוגיה חדשה פורצת דרך מאוניברסיטת Northwestern ואוניברסיטת אוהיו סטייט.
LEVA הוא הכלי הראשון שמאפשר למדענים לסדר במדויק חבילות ביולוגיות זעירות הנקראות שלפוחיות וחלקיקים חוץ-תאיים הקשורים לשטח (EVP). תאים משחררים את החבילות הזעירות הללו לנוזלים ביולוגיים ומשאירים אותם מאחור ברקמות, שם הם עוזרים להעביר מסרים לתאים אחרים. על ידי איתות לתאים לנוע או לתקן נזק, נראה כי EVPs משפיעים על תהליכים חשובים רבים בגוף האדם, כולל ריפוי פצעים, זיהום, התחדשות והתפשטות סרטן.
באמצעות LEVA, מדענים יכולים לצפות בבלדרים הביולוגיים הזעירים האלה כשהם מקיימים אינטראקציה עם תאים בזמן אמת. לאחר מכן, החוקרים יכולים לחקור כיצד מסרים של EVP מאיצים ריפוי, עוזרים להגן על הגוף או להתרבות מחלות.
המחקר יתפרסם מחר (18 בנובמבר) בכתב העת Nature Methods. הוא מסמן את הכלי המהיר הראשון, הניתן להרחבה, ברזולוציה גבוהה לשליטה ב-EVP מבלי להשתמש בנוגדנים, תגים כימיים או מולקולות לכידה.
"המחקר שלנו מספק למדענים כלי חדש ורב עוצמה להבין כיצד תאים מתקשרים דרך 'שבילי פירורי הלחם' שהם משאירים אחריהם במהלך תנועה בהקשרים בריאים ומחלות כאחד", אמר קולין הייסי מ-Northwestern, שהיה שותף להובלת העבודה. "הבנה טובה יותר של תפקידם עשויה להוביל לטיפולים חדשים למחלות ולטיפולים משופרים לריפוי פצעים. הרבגוניות של הטכניקה פירושה שניתן לאמץ אותה על ידי חוקרים ברחבי העולם כדי להאיץ גילויים בתחומים רבים של בריאות האדם".
Hisey הוא עוזר פרופסור להנדסה ביו-רפואית בבית הספר להנדסה ב-Northwestern McCormick. הוא הוביל את העבודה יחד עם Xilal Y. Rima ו-Jacob Doon-Ralls, פוסט-דוקטורט ועמית בוגר, בהתאמה, באוניברסיטת אוהיו סטייט. המחבר הבכיר של המחקר הוא אדוארדו ריאטגווי, פרופסור חבר להנדסה כימית וביו-מולקולרית באוניברסיטת אוהיו סטייט.
מאיר אור על שליחים סלולריים
כאשר תאים נעים בגוף, הם משחררים באופן טבעי EVPs עטופים בקרום, הנושאים חלבונים, RNA ומטען מולקולרי אחר. לאחר שחרורו, EVPs פועלים כשליחים בין תאים לעיצוב תהליכים ביולוגיים שונים, כולל תגובות חיסוניות וצמיחת רקמות.
באופן מסורתי, מדענים חקרו EVPs תלויים בנוזל. אבל Hisey והצוות שלו רצו לחקור מה קורה כאשר EVPs קבועים במקום, משמשים כמפת דרכים לתאים מטיילים. LEVA פועלת על ידי הברקת אור אולטרה סגול על מערך זעיר של מראות, ולאחר מכן על משטח, כדי ליצור דפוס דמוי סטנסיל. אזורים שנחשפים לאור עוברים שינוי כימי, ונהיים דביקים ל-EVP. עם זאת, אזורים לא נחשפים נשארים ניטרליים.
כאשר מציגים EVPs, הם נצמדים באופן טבעי לאזורים החשופים, ויוצרים דפוסים מדויקים כגון נקודות, קווים, מעברים, שבילים או אפילו תמונות מורכבות. זה מאפשר למדענים לסדר EVPs לצורות מבוקרים ולשבילים המחקים איך הם עשויים להיות מסודרים ברקמות אנושיות.
נראה ש-EVP ממלאים תפקיד מכריע, אך לא מובן, בנדידת סרטן וגרורות, ריפוי פצעים ותגובות חיסוניות. בעבר, חסרו למדענים כלים לחקור אותם בצורה כמותית ושיטתית. LEVA משתמשת באור אולטרה סגול מבוקר כדי למשוך את השלפוחיות הללו עם דיוק תת תאי על סמך תכונותיהן המולדות. זה לא היה אפשרי קודם לכן, ובזכות הצוות הבינתחומי שלנו, הטכנולוגיה הזו מגיעה בדיוק בזמן שהתחום הזה צובר הרבה תשומת לב ומומנטום".
קולין הייסי, עוזר פרופסור להנדסה ביו-רפואית, בית הספר להנדסה ב-Nortwestern's McCormick
תאי חיסון עוקבים אחר 'שובל פירורי לחם' כדי לתקוף זיהום
לאחר שפיתחו דפוסים של EVPs, Hisey ומשתפי הפעולה שלו רצו ללמוד כיצד הם מתקשרים עם תאים בזמן אמת. הם השתמשו ב-LEVA כדי ליצור צורות מדויקות של EVPs מחיידקים, המדמים זיהום. לאחר מכן, הצוות הוסיף נויטרופילים אנושיים מבודדים, סוג של תאי דם לבנים הפועלים כמגיבים הראשונים של מערכת החיסון.
נויטרופילים זיהו במהירות והסתערו לעבר ה-EVP של החיידקים המעוצבים. הנויטרופילים התקבצו היטב מעל EVPs, חיקו כיצד הם עשויים להתאסף במקום של פצע או זיהום אמיתי בגוף. בסרטוני זמן-lapse נלווים, הצופים יכולים לצפות בצבא של תאי הדם הלבנים מתנועעים ומתנועעים על פני השטח השטוח, מכסים את הדפוסים העשויים מ-EVP של חיידקים בצורות שונות כולל נקודות ואפילו כוכבים.
הניסוי מראה ש-EVP בלבד – ללא חיידקים חיים – פועלים כמשואות כימיות חזקות לתאי חיסון. בעזרת LEVA, מדענים יכולים לחקור את התנהגות תגובת האותות הזו בדיוק רב, מה שיכול לעזור לחוקרים להבין טוב יותר את האיתות החיסוני והדלקת.
"נויטרופילים התפתחו כדי לזהות את האנטיגנים הקיימים בתאי חיידקים, ומכאן, גם EVP של חיידקים מכיוון שהם כל כך דומים", אמר Hisey. "ברגע שנייטרופילים באים במגע עם וחשים בתחילה את ה-EVP, הם עוברים תגובות דינמיות שאנחנו עדיין מנסים להבין. זה משהו שהפלטפורמה שלנו יכולה לעזור לנו ללמוד".
מה הלאה
בשלב הבא, Hisey וצוותו מתכננים להרחיב את LEVA מעבר למשטחים שטוחים ושקופים לחומרים מורכבים יותר, תלת מימדיים ורלוונטיים ביולוגית כדי לחקות טוב יותר את התנאים בתוך גוף האדם. על ידי כוונון עדין של דפוסים ושיפועים, הצוות מקווה בסופו של דבר לפענח את הכללים של התנהגות תאים מונעי EVP, מהנחיית התחדשות רקמות ועד ליירוט התפשטות סרטן.
"אנו רוצים ליישם את LEVA על פני מספר אזורי מחלה כדי למפות באופן שיטתי כיצד סוגים שונים של שלפוחיות קשורות פני השטח משפיעות על התנהגות התא בתנאים ותצורות שונות, תוך התמקדות ראשונית בגרורות סרטן, ריפוי פצעים ותגובות חיסוניות ל-EVPs פתוגניים", אמר Hisey. "המטרות ארוכות הטווח שלנו כוללות פיתוח אסטרטגיות טיפוליות הרותמות או חוסמות את התקשורת הסלולרית המתווכת באמצעות שלפוחית והרחבת הטכניקה לחקור כיצד ננו-חלקיקים מתקשרים עם משטחים בהקשר של הנדסת חומרים גרידא."
המחקר, "ספיחת שלפוחית חוץ-תאית וחלקיקים המושרה על ידי אור", נתמך על ידי המכון הלאומי לבריאות, המרכז להנדסת סרטן במדינת אוהיו, תוכנית OK-PROS ו-LEGACY ו-Burroughs Wellcome Fund.
