Ταξινόμηση κυττάρων μέσω αιώρησης
Αυτό που μοιάζει με μια σειρά από παρασυρόμενες σταγόνες τσίχλας θα μπορούσε να περιέχει πληθώρα πληροφοριών τόσο για κλινικούς ερευνητές όσο και για επιστήμονες. Μια ομάδα βιομηχανικών και γενετιστών έχει σχεδιάσει μια συσκευή που μπορεί να αιωρήσει ένα μόνο ζωντανό κύτταρο ανάμεσα σε μαγνήτες και να μετρήσει την πυκνότητά του με βάση το πόσο ψηλά επιπλέει. Τέτοιες μετρήσεις θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την ταξινόμηση διαφορετικών τύπων κυττάρων—για τη διάκριση των καρκινικών κυττάρων από τα υγιή, για παράδειγμα—ή για τη μέτρηση του τρόπου με τον οποίο τα κύτταρα αλλάζουν όταν εκτίθενται σε φάρμακα.
Μια επίδειξη της προσέγγισης, που δημοσιεύτηκε στο διαδίκτυο σήμερα στο Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών , είναι "πολύ εκπληκτικό υλικό που θα μπορούσε να αλλάξει το παιχνίδι για πολλά πράγματα, αν ισχύει", λέει ο John Minna, βιολόγος καρκίνου στο Πανεπιστήμιο του Τέξας Southwestern Medical Center στο Ντάλας.
Οι ερευνητές έχουν χρησιμοποιήσει μαγνήτες στο παρελθόν για να αιωρήσουν ολόκληρα πλάσματα, όπως ζωντανούς βατράχους - μια παράξενη επίδειξη που κέρδισε στον συγγραφέα του βραβείο Ig Nobel. «Κάθε υλικό, κάθε κύτταρο στη φύση έχει μια μαγνητική επιδεκτικότητα», εξηγεί ο Utkan Demirci, βιομηχανικός στο Πανεπιστήμιο Stanford στο Palo Alto της Καλιφόρνια. Αλλά αυτός και οι συνάδελφοί του έψαχναν νέους τρόπους για να χειριστούν και να συναρμολογήσουν μικροσκοπικά κομμάτια ιστού χρησιμοποιώντας μαγνήτες - ένα πολύ πιο δύσκολο επίτευγμα, λέει, επειδή για ένα αντικείμενο μικρότερο από περίπου 20 μικρά, «η μαγνητική δύναμη μειώνεται τόσο πολύ που θα μπορούσε δεν σηκώνει το δικό του βαρυτικό βάρος». Μια άλλη κοινή προσέγγιση για την αιώρηση περιλαμβάνει το γέμισμα ενός αντικειμένου με σωματίδια οξειδίου του σιδήρου. Αλλά αυτό θα ήταν τοξικό για τα ζωντανά κύτταρα.
Για να ξεπεράσει αυτό το πρόβλημα, η ομάδα του Demirci δεν ασχολήθηκε με τις μαγνητικές ιδιότητες των ίδιων των κυττάρων, αλλά με το μέσο γύρω από αυτά. Οι ερευνητές δημιούργησαν ένα στενό, γεμάτο με υγρό κανάλι ανάμεσα σε δύο μακριούς, λεπτούς μαγνήτες, περίπου στο μέγεθος των οδοντογλυφίδων. Έδεσαν το υγρό με σωματίδια γαδολίνιο, ένα μέταλλο σπάνιων γαιών που είναι εξαιρετικά μαγνητικό και μερικές φορές χορηγείται σε ασθενείς για να αυξήσει την αντίθεση σε μια μαγνητική τομογραφία. Το μαγνητικό πεδίο έχει σχήμα ώστε να έλκει το γαδολίνιο προς τα κάτω, έτσι ώστε τα μεταλλικά σωματίδια να σπρώχνουν τα κύτταρα προς τα πάνω, δημιουργώντας μια δύναμη άνωσης ακριβώς όπως αυτή που επιπλέει σε ένα σκάφος.
Αυτό σημαίνει ότι το ύψος στο οποίο αιωρείται ένα κύτταρο εξαρτάται από την πυκνότητά του. Κύτταρα ακριβώς τόσο πυκνά όσο το μέσο γαδολινίου θα αιωρούνται στη μέση του καναλιού, αλλά τα κύτταρα υψηλότερης πυκνότητας θα βυθιστούν ελαφρά. Τοποθετώντας καθρέφτες κατά μήκος του καναλιού που αντανακλούν το φως σε ένα μικροσκόπιο, οι ερευνητές μπορούσαν να παρατηρήσουν τα αιωρούμενα κύτταρα σε πραγματικό χρόνο.
Στη συνέχεια οι ερευνητές παρατήρησαν ότι διαφορετικοί τύποι κυττάρων αιωρούνται σε διακριτά ύψη. Για παράδειγμα, τα καρκινικά κύτταρα επέπλεαν πάνω από πιο πυκνά αιμοσφαίρια, κάτι που θα μπορούσε να επιτρέψει στους κλινικούς γιατρούς να εντοπίσουν σπάνια κυκλοφορούντα κύτταρα όγκου σε ένα δείγμα ασθενούς. Η συσκευή θα μπορούσε επίσης να διακρίνει τα ερυθρά αιμοσφαίρια από τα λευκά αιμοσφαίρια, που σημαίνει ότι θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση χαμηλού αριθμού λευκών αιμοσφαιρίων—μια κοινή επιπλοκή της χημειοθεραπείας και ένα σημάδι ότι ένας ασθενής είναι επιρρεπής σε μόλυνση.
Οι παραδοσιακές μέθοδοι για τη διαλογή των κυττάρων βασίζονται σε φθορίζουσες μοριακές ετικέτες, σχεδιασμένες να κολλούν στις επιφανειακές πρωτεΐνες που υπάρχουν σε ορισμένους τύπους κυττάρων αλλά όχι σε άλλους. Η ταξινόμηση κατά πυκνότητα είναι μια δελεαστική εναλλακτική λύση, λέει ο Will Grover, βιομηχανικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Riverside, ο οποίος δεν συμμετείχε στη νέα εργασία. Για ένα, θα μπορούσε να είναι πολύ πιο απλό από το να σχεδιάζετε μοναδικές ετικέτες. «Η πυκνότητα έρχεται δωρεάν», λέει ο Γκρόβερ. "Δεν χρειάζεται να κάνετε τίποτα στα κελιά."
Η τεχνική θα μπορούσε επίσης να οδηγήσει σε πιο αξιόπιστες διαγνωστικές εξετάσεις. Τα καρκινικά κύτταρα είναι τόσο διαφορετικά που ορισμένα μπορεί να μην φέρουν το αντίσωμα στο οποίο υποτίθεται ότι συνδέεται μια μοριακή ετικέτα. Και τέτοια σφάλματα μπορεί να οδηγήσουν σε ψευδώς θετικά και ψευδώς αρνητικά αποτελέσματα. Ο χορός των αιωρούμενων κυττάρων μπορεί επίσης να μεταφέρει πληροφορίες για το πόσο καλά λειτουργεί ένα φάρμακο. Καθώς ένα κύτταρο πεθαίνει, τα κανάλια στην πορώδη μεμβράνη του αφήνουν το περιβάλλον υγρό, αυξάνοντας την πυκνότητά του και αναγκάζοντας το να βυθιστεί στον πυθμένα του θαλάμου. Οι ερευνητές θα μπορούσαν να προσδιορίσουν ποια μεμονωμένα κύτταρα -από έναν όγκο ή ένα στέλεχος βακτηρίων- επιβιώνουν από μια φαρμακευτική θεραπεία και να τα μελετήσουν περαιτέρω, κάτι που δεν είναι δυνατό με τις τρέχουσες δοκιμές καλλιέργειας και χρώσης, λέει ο Demirci.
Η αιώρηση δεν είναι η μόνη μέθοδος για τη μέτρηση της πυκνότητας των κυττάρων, σημειώνει ο Grover, ο οποίος έχει αναπτύξει μια διαφορετική τεχνική για τη ζύγιση μεμονωμένων ζωντανών κυττάρων κολλώντας τα σε ένα μικροσκοπικό συντονιστή και μετρώντας τις αλλαγές στη δόνηση του. Αυτή η προσέγγιση μετρά ένα κύτταρο κάθε φορά, επομένως η νέα μαγνητική πλατφόρμα μπορεί να έχει πλεονεκτήματα για την κλιμάκωση της διαδικασίας, λέει ο Grover. Μέχρι στιγμής, η εγκατάσταση μπορεί να περάσει από περίπου 3000 κελιά ανά ώρα. Αλλά ο Grover σημειώνει ότι οι υπάρχουσες τεχνικές που επισημαίνουν με φθορισμό κύτταρα μπορούν να ταξινομήσουν εκατομμύρια σε μια ώρα. Τα κύτταρα μπορούν επίσης να ταξινομηθούν ακατέργαστα μαζικά με φυγοκεντρητές. Αλλά αυτή η τεχνική δεν μπορεί να πει την πυκνότητα ενός μεμονωμένου κυττάρου ή να παρατηρήσει αλλαγές πυκνότητας σε πραγματικό χρόνο.
Οι ερευνητές εργάζονται τώρα για να δοκιμάσουν τα όρια της ευαισθησίας της συσκευής τους και να καταλάβουν πόσα στελέχη κυττάρων μπορούν να διακριθούν αξιόπιστα το ένα από το άλλο. Επίσης, αναπτύσσουν μια έκδοση που συνδέεται με κάμερες κινητών τηλεφώνων ως γρήγορη και φορητή διαγνωστική δοκιμή.
