Klikněte zde, pokud je toto vaše tisková zpráva!

Time of Death: Nová technologie potřebná pro větší přesnost

Napsáno editor

Je překvapivě těžké poznat, kdy je mozková buňka mrtvá. Neurony, které se pod mikroskopem zdají být neaktivní a fragmentované, mohou přetrvávat v jakémsi limbu na život a na smrt po celé dny a některé najednou začnou znovu signalizovat poté, co se objeví inertní.

Tisk přátelský, PDF a e-mail

Pro výzkumníky, kteří studují neurodegeneraci, tento nedostatek přesné deklarace „času smrti“ pro neurony ztěžuje určení, jaké faktory vedou k buněčné smrti, a prověřování léků, které by mohly zachránit stárnoucí buňky před umíráním.              

Nyní výzkumníci z Gladstone Institutes vyvinuli novou technologii, která jim umožňuje sledovat tisíce buněk najednou a určit přesný okamžik smrti kterékoli buňky ve skupině. Tým ukázal v článku publikovaném v časopise Nature Communications, že tento přístup funguje v hlodavcích a lidských buňkách, stejně jako v živých zebřičkách, a lze jej použít ke sledování buněk po dobu týdnů až měsíců.

"Získání přesného času smrti je velmi důležité pro odhalení příčiny a následku u neurodegenerativních onemocnění," říká Steve Finkbeiner, MD, PhD, ředitel Centra pro systémy a terapii v Gladstone a hlavní autor obou nových studií. "Umožňuje nám to zjistit, které faktory přímo způsobují buněčnou smrt, které jsou náhodné a které mohou být mechanismy, které oddalují smrt."

V doprovodném článku publikovaném v časopise Science Advances vědci spojili technologii buněčných senzorů s přístupem strojového učení a naučili počítač, jak rozlišovat živé a mrtvé buňky 100krát rychleji a přesněji než člověk.

„Vysokoškolským studentům trvalo několik měsíců, než ručně analyzovali tento druh dat, a náš nový systém je téměř okamžitý – ve skutečnosti běží rychleji, než dokážeme získat nové snímky na mikroskopu,“ říká Jeremy Linsley, PhD, vedoucí vědeckého programu ve Finkbeiner's. lab a prvním autorem obou nových prací.

Výuka starého senzoru novým trikům

Když buňky zemřou – bez ohledu na příčinu nebo mechanismus – nakonec se fragmentují a jejich membrány degenerují. Tento proces degradace však nějakou dobu trvá, takže je pro vědce obtížné rozlišit mezi buňkami, které již dávno přestaly fungovat, těmi, které jsou nemocné a umírají, a těmi, které jsou zdravé.

Výzkumníci obvykle používají fluorescenční značky nebo barviva, aby sledovali nemocné buňky mikroskopem v průběhu času a pokusili se diagnostikovat, kde se nacházejí v tomto degradačním procesu. Bylo vyvinuto mnoho indikátorových barviv, skvrn a štítků k odlišení již mrtvých buněk od těch, které jsou stále naživu, ale často fungují pouze po krátkou dobu, než vyblednou, a mohou být také toxické pro buňky, když jsou aplikovány.

„Skutečně jsme chtěli indikátor, který vydrží po celý život buňky – nejen několik hodin – a pak dá jasný signál až v konkrétním okamžiku, kdy buňka zemře,“ říká Linsley.

Linsley, Finkbeiner a jejich kolegové kooptovali vápníkové senzory, původně navržené ke sledování hladin vápníku uvnitř buňky. Když buňka umírá a její membrány se stávají netěsnými, jedním z vedlejších účinků je, že vápník spěchá do vodního cytosolu buňky, který má normálně relativně nízké hladiny vápníku.

Linsley tedy zkonstruoval vápníkové senzory tak, aby byly umístěny v cytosolu, kde by fluoreskovaly pouze tehdy, když hladina vápníku vzrostla na úroveň, která indikuje buněčnou smrt. Nové senzory, známé jako geneticky zakódovaný indikátor smrti (GEDI, vyslovováno jako Jedi ve Star Wars), by mohly být vloženy do jakéhokoli typu buňky a signalizovat, že buňka je živá nebo mrtvá po celou dobu života buňky.

Aby skupina otestovala užitečnost přepracovaných senzorů, umístila pod mikroskop velké skupiny neuronů – každý obsahující GEDI. Po vizualizaci více než milionu buněk, v některých případech náchylných k neurodegeneraci a v jiných vystavených toxickým sloučeninám, vědci zjistili, že senzor GEDI byl mnohem přesnější než jiné indikátory buněčné smrti: nenastal jediný případ, kdy by senzor byl aktivována a buňka zůstala naživu. Navíc, kromě této přesnosti, se zdálo, že GEDI také detekoval buněčnou smrt v dřívější fázi než předchozí metody – blízko „bodu, odkud není návratu“ pro buněčnou smrt.

"To vám umožní oddělit živé a mrtvé buňky způsobem, který nikdy předtím nebyl možný," říká Linsley.

Detekce nadlidské smrti

Linsley se o GEDI zmínil svému bratrovi – Drew Linsley, PhD, asistentovi profesora na Brown University, který se specializuje na aplikaci umělé inteligence na rozsáhlá biologická data. Jeho bratr navrhl, aby výzkumníci použili senzor ve spojení s přístupem strojového učení, aby naučili počítačový systém rozpoznávat živé a mrtvé mozkové buňky pouze na základě tvaru buňky.

Tým spojil výsledky z nového senzoru se standardními fluorescenčními daty na stejných neuronech a naučil počítačový model, nazvaný BO-CNN, rozpoznat typické fluorescenční vzorce spojené s tím, jak vypadají umírající buňky. Bratři Linsleyové ukázali, že model byl z 96 procent přesný a lepší než to, co mohou udělat lidští pozorovatelé, a byl více než 100krát rychlejší než předchozí metody rozlišování živých a mrtvých buněk.

„U některých typů buněk je pro člověka extrémně obtížné zjistit, zda je buňka živá nebo mrtvá – ale náš počítačový model je díky učení z GEDI dokázal odlišit na základě částí obrázků, které jsme předtím neznali. byly užitečné při rozlišování živých a mrtvých buněk,“ říká Jeremy Linsley.

GEDI i BO-CNN nyní umožní výzkumníkům provádět nové, vysoce výkonné studie, aby zjistili, kdy a kde mozkové buňky umírají – což je velmi důležitý koncový bod pro některé z nejdůležitějších onemocnění. Mohou také testovat léky na jejich schopnost oddálit buněčnou smrt nebo se jí vyhnout u neurodegenerativních onemocnění. Nebo v případě rakoviny mohou hledat léky, které urychlují smrt nemocných buněk.

„Tyto technologie mění hru v naší schopnosti porozumět tomu, kde, kdy a proč v buňkách nastává smrt,“ říká Finkbeiner. „Poprvé můžeme skutečně využít rychlost a rozsah, který poskytuje pokrok v robotické mikroskopii, k přesnější detekci buněčné smrti, a to s dostatečným předstihem před okamžikem smrti. Doufáme, že to může vést ke specifičtějším terapeutikám pro mnoho neurodegenerativních onemocnění, které byly dosud nevyléčitelné.“

Tisk přátelský, PDF a e-mail

O autorovi

editor

Šéfredaktorkou je Linda Hohnholz.

Zanechat komentář