211service.com
Kawałek życia w laboratorium
Doktorant Colin Buss eksperymentuje z techniką, która może pomóc w ograniczeniu nadmiernej liczby białych krwinek. 22 sierpnia 2018
Colin Buss, absolwent naukowy w Koch Institute for Integrative Cancer Research w MIT, mówi, że nazwanie BD LSRFortessa swoim najlepszym przyjacielem nie jest zbytnią przesadą. Spędziliśmy razem wiele sobotnich popołudni, mówi Buss o cytometrze przepływowym, który służy do liczenia i sortowania komórek w roztworze. Po umieszczeniu na urządzeniu probówki z próbkami komórek i zassaniu cieczy przez metalową dyszę, maszyna oddziela poszczególne komórki i analizuje je, poddając je działaniu różnych laserów. Fortessa może przerzucać tysiąc komórek na sekundę, oszczędzając naukowcom takim jak Buss niezliczone godziny patrzenia pod mikroskop. Nic dziwnego, że są przyjaciółmi.
Nawet korzystając z najnowocześniejszych technik w swojej dziedzinie, Buss, podobnie jak wielu z 6900 innych studentów studiów magisterskich w całym kampusie, spędza wiele godzin w laboratorium, wykonując pozornie rutynowe zadania. Ale potencjał jego badań jest daleki od przyziemności. Technologia, którą testuje, badając wszystkie te komórki, może prowadzić do lepszych metod leczenia sepsy, stanu, w którym nadmierna reakcja organizmu na infekcję uszkadza własne tkanki i narządy. Każdego roku około 250 000 Amerykanów umiera na sepsę, która według szacunków zabija rocznie ponad pięć milionów ludzi na całym świecie.
Buss zaprzyjaźnił się z Fortessą w MIT po tym, jak został zainspirowany pracą profesora bioinżynierii Sangeeta Bhatia, SM ’93, PhD ’97, który opracowywał diagnostykę i terapię raka, która często wykorzystywała nanocząsteczki jako technologię dostarczania. Buss studiował inżynierię chemiczną w Cornell i początkowo rozważał zostanie lekarzem, ale zdał sobie sprawę, że bardziej interesują go badania medyczne. Czuję, że mogę mieć większy wpływ, rozwijając nową technikę terapeutyczną, zamiast bezpośrednio leczyć pacjentów, mówi. Chcąc pomóc rozszerzyć technologię nanocząstek Bhatii o nowe obszary zastosowań, takie jak celowanie w komórki układu odpornościowego, pięć lat temu dołączył do jej Laboratorium Wieloskalowych Technologii Regeneracyjnych w Instytucie Kocha. Jego badania jako doktorantki skłoniły go, jak mówi, do skorzystania z wewnętrznego inżyniera, aby znaleźć rozwiązanie naprawdę interesującego pytania.
Pytanie, które teraz przykuwa jego uwagę, dotyczy tego, czy naturalną odpowiedź układu odpornościowego na infekcję można dostroić za pomocą odrobiny manipulacji genami za pomocą nanotechnologii. Więc dzisiaj używa Fortessy do analizy próbek białych krwinek, które pobrał od myszy. Zeszłej nocy kilka myszy wdychało bakterie znajdujące się w powietrzu, co spowodowało, że rozwinęła się infekcja w ciągu trzech do czterech godzin. Wczesnym rankiem wstrzyknął im nanocząsteczki zawierające małe interferujące RNA (siRNA). A jeśli wszystko poszło zgodnie z planem, mówi Buss, wprowadzenie tego materiału genetycznego do krwiobiegu powinno pomóc w regulacji odpowiedzi układu odpornościowego na infekcję.
Doktorant Colin Buss kiedyś rozważał bycie lekarzem, ale zdecydował, że mógłby pomóc większej liczbie ludzi, opracowując terapie. Dołączył więc do laboratorium Sangeeta Bhatia ds. wieloskalowych technologii regeneracyjnych, aby pracować z nią nad wykorzystaniem dostarczania leków na bazie nanocząsteczek do zwalczania chorób zakaźnych.
Organizmy myszy reagują na infekcje w taki sam sposób, jak ludzie. Kiedy komórki odpornościowe stale krążące w krwiobiegu wykrywają obecność intruza, takiego jak wirus, bakteria lub grzyb, uruchamiają odpowiedź immunologiczną organizmu i rekrutują wiele plutonów komórek obrońcy – w tym kilka z pięciu odmian białych komórki krwi – aby połączyć je w miejscu infekcji. Buss bada monocyty, rodzaj białych krwinek, które często wykonują swoją pracę trochę za dobrze, rekrutując zbyt wiele innych komórek i powodując zbyt duży stan zapalny. Podczas gdy pewna ilość zlokalizowanego stanu zapalnego w miejscu infekcji ma kluczowe znaczenie dla zniszczenia inwazyjnego patogenu, przedłużone i rozległe zapalenie występujące w posocznicy może prowadzić do uszkodzenia i niewydolności narządu. Przy infekcjach wrażliwych narządów, takich jak płuca i serce, twoja odpowiedź immunologiczna może chcieć rzucić wszystko, co ma na bakterie, mówi Buss. Ale zbyt duży stan zapalny i zbyt mała koncentracja na regulacji reszty ciała może w rzeczywistości zabić cię, zanim zrobi to infekcja.
Twoja odpowiedź immunologiczna może chcieć rzucić wszystko, co ma na bakterie. Ale zbyt duży stan zapalny… może cię zabić, zanim zrobi to infekcja.
Zaprojektowane przez Buss nanocząsteczki przenoszące siRNA mają kontrolować ten stan zapalny. Zaprojektowana powłoka molekularna pomaga im przetrwać pływanie w krwiobiegu i pozwala im zadokować się na błonach monocytów, aby rozładować swój ładunek. SiRNA następnie przenika do procesu replikacji DNA komórek, blokując produkcję białka sygnalizacyjnego, które działa jak chemiczna latarnia morska rekrutująca inne monocyty do miejsca infekcji. Wyzwanie polega na upewnieniu się, że wiązki siRNA nie kolidują z innymi odmianami komórek odpornościowych lub całkowicie wyłączają monocyty. Nadal chcemy, aby monocyty reagowały na infekcję, mówi Buss. Po prostu nie chcemy, aby reagowali przesadnie.
Dzisiejszy eksperyment ma na celu sprawdzenie, czy nanocząstki dotarły do zamierzonego celu. Więc po wyizolowaniu białych krwinek z próbek krwi, koduje je kolorami. Każdy rodzaj białych krwinek ma unikalną kombinację receptorów powierzchniowych, doków załadowczych używanych do wiązania i interakcji z innymi komórkami. Buss znakuje komórki różnymi barwnikami przeznaczonymi do przyłączania się tylko do określonego receptora, co pozwala mu sortować je według typu komórki. (Na przykład monocyty będą emitować niebieskie, białe i żółte światło w Fortessie.) Buss również zabarwił swoje nanocząsteczki na różowo. Więc jeśli dostawa się powiodła, monocyty również powinny świecić na różowo, gdy przepuszcza je przez lasery Fortessy. Licząc liczbę innych białych krwinek, które również emitują kolor różowy, Buss będzie w stanie określić, ile odebrano niezamierzonych paczek siRNA.
Aby oznaczyć kolorami białe krwinki, Buss używa propipette, instrumentu przypominającego pistolet do klejenia na gorąco, do dozowania barwnika do swoich roztworów. Jego ruchy są rytmiczne — włożyć propipette do nowej sterylnej końcówki, wessać roztwór, dozować roztwór, wrzucić zużytą końcówkę do wiadra na bioodpady i powtórzyć. Tworzenie dziesiątek próbek — w tym próbek kontrolnych do prawidłowej kalibracji Fortessy — to powtarzalna praca, ale Buss mówi, że znalazł swój groove.
Buss mówi, że przez lata pracy w laboratorium dostrzegał rosnącą obietnicę maleńkich technologii do tworzenia bardziej precyzyjnych i przestrajalnych efektów w procesach biologicznych żywych organizmów. Technologie takie jak siRNA w nanocząsteczkach pozwalają naukowcom skupić się na jednym zachowaniu w jednej konkretnej grupie komórek, dokładności, która od dawna jest nieosiągalna w terapiach lekowych na raka i choroby zakaźne. Terapie siRNA dają nam możliwość kontrolowania komórek na poziomie poszczególnych genów – co tradycyjnie było trudne w przypadku leków małocząsteczkowych, mówi. Dlatego wiele leków ma wiele negatywnych skutków ubocznych.
Buss ma nadzieję, że jego eksperymenty z nanocząsteczkami, w tym poprzednie prace, w których celował w komórki rakowe, będą jego pracą dyplomową. Największą różnicą między pracą z rakiem a pracą z chorobami zakaźnymi jest skala czasowa, mówi. W przypadku raka zaszczepiasz myszy i pracujesz przez miesiąc. W przypadku chorób zakaźnych wszystko musi nastąpić w ciągu 24 godzin.
Gdy zegar tyka w swoim eksperymencie z siRNA, Buss przenosi swoje barwione próbki w dół trzech kondygnacji schodów w styropianowym pudełku z lodem, aby przepuścić je przez Fortessę. Gdy białe krwinki przedzierają się przez labirynt laserów w środku, na monitorze zaczynają pojawiać się małe kropki na wykresie punktowym. Pochyla się do przodu i bada wiele wykresów, gdy komórki zaczynają się skupiać.
Widzisz to? — mówi, przeskakując między wykresami niebieskiego, białego i żółtego — kolorami barwnika odpowiadającymi receptorom na monocytach — a wykresem odpowiadającym różowemu znacznikowi na paczkach siRNA. Kropki skupiają się na wszystkich w tym samym miejscu, co oznacza, że jego paczki znalazły monocyty i wyładowały ich ładunek. Będzie musiał zbadać wyniki dla innych typów białych krwinek, aby sprawdzić, czy one również otrzymały paczki siRNA. A przed nami setki powtórzeń tego samego eksperymentu. Ale na razie patrzy na wykres punktowy, mówiąc mu, że jego nanocząsteczki znalazły swój cel. Ten jest piękny, mówi.