Measuring the density of a cell can reveal a great deal about the cell's state. כאשר התאים מתפשטים, מבדילים או עוברים מוות של תאים, הם עלולים להשיג או לאבד מים ומולקולות אחרות, שמתגלה על ידי שינויים בצפיפות.
מעקב אחר השינויים הזעירים הללו במצב הפיזי של התאים קשה לעשות בקנה מידה גדול, במיוחד ברזולוציה של תאים יחיד, אך צוות של חוקרי MIT מצא כעת דרך למדוד את צפיפות התאים במהירות ובמדויק – למדוד עד 30,000 תאים בשעה אחת.
החוקרים הראו גם כי ניתן להשתמש בשינויי צפיפות כדי לתחזית תחזיות חשובות, כולל האם תאי חיסון כמו תאי T הופעלו כדי להרוג גידולים, או שמא תאי הגידול רגישים לתרופה ספציפית.
תחזיות אלה מבוססות על התבוננות בשינויים קטנים מאוד בתכונות הפיזיות של התאים, שיכולים לומר לך כיצד הם הולכים להגיב. "
סקוט מנאליס, פרופסור להנדסה של דייוויד ה. קוך במחלקות להנדסה ביולוגית והנדסת מכונות, וחבר במכון KOCH לחקר סרטן אינטגרטיבי
ו The paper's lead author is MIT research scientist Weida (Richard) Wu.
טכניקת המדידה החדשה של הצפיפות המדווחת במחקר זה בונה על עבודה שעשתה מעבדת מנאליס בשני העשורים האחרונים על טכנולוגיות לביצוע מדידות של תאים וחלקיקים זעירים. בשנת 2007, המעבדה שלו פיתחה מכשיר מיקרו -פלואידי המכונה מהודה מיקרו -ערוצית תלויה (SMR), המורכב ממיקרו -ערוץ על פני שלוחה סיליקון זעירה הרוטטת בתדר ספציפי. כאשר תא עובר בערוץ, תדירות הרטט משתנה מעט, וניתן להשתמש בעוצמתו של שינוי זה כדי לחשב את מסת התא.
In 2011, the researchers adapted the technique to measure the density of cells. To achieve that, cells are sent through the device twice, suspended in two liquids of different densities. המסה המצופה של התא (המסה שלו כשהיא צפה בנוזל) תלויה במסה ובנפח המוחלטים שלו, ולכן על ידי מדידת שתי המונים מצופים שונים לתא, ניתן לחשב את המסה, הנפח והצפיפות שלו.
טכניקה זו עובדת טוב, אך החלפת נוזלים ותאים זורמים דרך כל אחד מהם גוזלת זמן, כך שניתן להשתמש בה רק למדידת כמה מאות תאים בכל פעם.
כדי ליצור מערכת מהירה ויעילה יותר, החוקרים שילבו את מכשיר ה- SMR שלהם עם מיקרוסקופ פלורסנט, המאפשר מדידות של נפח התא. המיקרוסקופ ממוקם בכניסה לתהודה, והתאים זורמים דרך המכשיר תוך כדי צפים בצבע ניאון שלא ניתן לספוג על ידי תאים. When cells pass by the microscope, the dip in the fluorescent signal can be used to determine the volume of the cell.
"במקום לנסות לזרום את התאים קדימה ואחורה לפחות פעמיים דרך השלוחה כדי לקבל צפיפות תאים, רצינו לנסות ליצור שיטה לביצוע מדידה יעילה, כך שהתאים צריכים לעבור רק דרך השלוחה פעם אחת", אומר וו. "From a cell's mass and volume, we can then derive its density, without compromising the throughput or the precision."
As T cells transition from a quiescent state to an active state, they gain new molecules, as well as water, the researchers found. ממצב ההפעלה לפני כן ליום ההפעלה הראשון, צפיפות התאים צנחה מממוצע 1.08 גרם למיליליטר ל 1.06 גרם למיליליטר. This means that the cells are becoming less crowded, as they gain water faster than they gain other molecules.
"זה מרמז שצפיפות התאים משקפת ככל הנראה עלייה בתכולת המים הסלולריים כאשר התאים עוברים ממצב שקט, לא פרוליפרטיבי למצב צמיחה גבוהה", אומר וו. "נתונים אלה מצביעים על התפיסה כי צפיפות תאים היא סמן ביולוגי מעניין שמשתנה במהלך הפעלת תאי T ועשוי להיות בעל רלוונטיות פונקציונלית עד כמה תאי ה- T יכולים להתפשט."
Travera, חברה בשלב קליני שהוקמה על ידי מנאליס, עובדת על שימוש במדידות מסה SMR כדי לחזות אם תאי T של חולי סרטן ישיבו לתרופות שנועדו לעורר תגובה חיסונית חזקה נגד גידול. החברה החלה גם להשתמש בטכניקת מדידת הצפיפות, ומחקרים מקדימים מצאו כי שימוש במדידות מסה וצפיפות יחד נותן חיזוי הרבה יותר מדויק כי השימוש באחד בלבד.
Another potential application for this approach is predicting how tumor cells will respond to different types of cancer drugs. בעבודה קודמת, מנאליס הראתה כי מעקב אחר שינויים במסת התאים לאחר הטיפול יכול לחזות אם תא גידול עובר אפופטוזיס הנגרם על ידי תרופות. In the new study, he found that density could also reveal these responses.
בניסויים אלה, החוקרים טיפלו בתאי סרטן הלבלב עם אחת משתי תרופות שונות – אחת התאים רגישים להן, וכזה שהם עמידים אליהם. They found that density changes after treatment accurately reflected the cells' known responses to treatment.
"אנו לוכדים משהו על התאים שחזויים מאוד במהלך הימים הראשונים אחרי שהם מוציאים מהגידול", אומר וו. "Cell density is a rapid biomarker to predict in vivo drug response in a very timely manner."
המעבדה של מנאליס עובדת כעת על שימוש במדידות של מסת תאים וצפיפות כדרך להעריך את כושר התאים המשמשים לסינתזה חלבונים מורכבים כמו נוגדנים טיפוליים.
"כאשר התאים מייצרים חלבונים אלה, אנו יכולים ללמוד מסמנים אלה של כושר תאים ומצב מטבולית כדי לנסות לבצע תחזיות לגבי מידת התאים הללו יכולים לייצר חלבונים אלה, ובתקווה בעתיד מנחה גם אסטרטגיות תכנון ובקרה כדי לשפר עוד יותר את התשואה של חלבונים מורכבים אלה," אומר וו.
המחקר מומן על ידי קבוצת פול ג 'אלן פרונטייר, וירג'יניה ודניאל ק. לודוויג קרן לחקר סרטן, המרכז MIT לרפואת סרטן דיוק, תוכנית ההתכנסות לעמדת סרטן, בריסטול מאיירס סקוויב, ומענק התמיכה במכון קוך (CORE) ממכון הסרטן הלאומי.
