Час смерті: нові технології, необхідні для більшої точності

A HOLD FreeRelease 1 | eTurboNews | eTN
Аватар Лінди Хонхольц
Написано Лінда Хонхольц

Дивно важко сказати, коли клітина мозку мертва. Нейрони, які здаються неактивними і фрагментованими під мікроскопом, можуть зберігатися в певному підвішеному стані життя або смерті протягом днів, а деякі раптово починають знову сигналізувати після того, як виглядають інертними.

Для дослідників, які вивчають нейродегенерацію, ця відсутність точного визначення «часу смерті» для нейронів ускладнює визначення факторів, які призводять до загибелі клітин, і скринінг ліків, які можуть врятувати старіючі клітини від загибелі.              

Тепер дослідники Інституту Гладстона розробили нову технологію, яка дозволяє відстежувати тисячі клітин одночасно і визначати точний момент смерті для будь-якої клітини в групі. У статті, опублікованій в журналі Nature Communications, команда показала, що цей підхід працює в клітинах гризунів і людей, а також у живих данио, і його можна використовувати для спостереження за клітинами протягом кількох тижнів або місяців.

«Отримання точного часу смерті дуже важливо для розкриття причин і наслідків нейродегенеративних захворювань», – каже Стів Фінкбайнер, доктор медичних наук, доктор філософії, директор Центру систем і терапії в Гладстоні та старший автор обох нових досліджень. «Це дозволяє нам з’ясувати, які фактори безпосередньо спричиняють загибель клітин, які є випадковими, а які можуть бути механізмами подолання, які затримують смерть».

У супровідній статті, опублікованій в журналі Science Advances, дослідники поєднали технологію клітинних сенсорів з підходом машинного навчання, навчаючи комп’ютер розрізняти живі та мертві клітини в 100 разів швидше і точніше, ніж людина.

«Студентам коледжу знадобилися місяці, щоб проаналізувати такі дані вручну, і наша нова система працює майже миттєво — насправді вона працює швидше, ніж ми можемо отримати нові зображення на мікроскопі», — каже Джеремі Лінслі, доктор філософії, керівник наукової програми Finkbeiner's. lab і перший автор обох нових статей.

Навчання старого датчика новим трюкам

Коли клітини гинуть — незалежно від причини чи механізму — вони в кінцевому підсумку фрагментуються, а їх мембрани дегенерують. Але цей процес деградації потребує часу, тому вченим важко розрізняти клітини, які давно перестали функціонувати, ті, які хворі та вмирають, і ті, що здорові.

Дослідники зазвичай використовують флуоресцентні мітки або барвники, щоб спостерігати за хворими клітинами за допомогою мікроскопа з часом і намагатися діагностувати, де вони знаходяться в цьому процесі деградації. Багато індикаторних барвників, плям і етикеток були розроблені, щоб відрізнити вже мертві клітини від тих, які ще живі, але вони часто діють лише протягом короткого періоду часу до вицвітання, а також можуть бути токсичними для клітин, коли їх наносять.

«Нам дуже хотілося, щоб індикатор тривав протягом усього життя клітини, а не лише кількох годин, а потім дав чіткий сигнал лише після того, як клітина загинула», — каже Лінслі.

Лінслі, Фінкбайнер та їхні колеги кооптували датчики кальцію, спочатку розроблені для відстеження рівнів кальцію всередині клітини. Коли клітина гине, а її мембрани протікають, один із побічних ефектів полягає в тому, що кальцій потрапляє в водянистий цитозоль клітини, який зазвичай має відносно низький рівень кальцію.

Таким чином, Лінслі сконструював датчики кальцію, щоб вони знаходилися в цитозолі, де вони флуоресцували лише тоді, коли рівень кальцію збільшувався до рівня, який вказує на смерть клітини. Нові датчики, відомі як генетично закодований індикатор смерті (GEDI, вимовляється як джедаї у «Зоряних війнах»), можуть бути вставлені в будь-який тип клітини і сигналізувати про те, що клітина жива або мертва протягом усього життя клітини.

Щоб перевірити корисність перероблених датчиків, група помістила під мікроскоп великі групи нейронів, кожна з яких містить GEDI. Візуалізувавши більше мільйона клітин, в деяких випадках схильних до нейродегенерації, а в інших піддаються впливу токсичних сполук, дослідники виявили, що датчик GEDI був набагато точнішим, ніж інші індикатори клітинної смерті: не було жодного випадку, коли б датчик був активовано, і клітина залишилася живою. Більше того, на додаток до такої точності, GEDI також, здавалося, виявляв загибель клітин на більш ранній стадії, ніж попередні методи — близько до «точки неповернення» загибелі клітин.

«Це дозволяє розділяти живі та мертві клітини так, як це ніколи не було можливим раніше», – каже Лінслі.

Виявлення надлюдської смерті

Лінслі згадав GEDI своєму братові — доктору наук Дрю Лінслі, асистенту професора Університету Брауна, який спеціалізується на застосуванні штучного інтелекту до великомасштабних біологічних даних. Його брат запропонував дослідникам використовувати сенсор у поєднанні з підходом машинного навчання, щоб навчити комп’ютерну систему розпізнавати живі та мертві клітини мозку лише на основі форми клітини.

Команда поєднала результати нового датчика зі стандартними даними флуоресценції на тих самих нейронах, і вони навчили комп’ютерну модель, яка називається BO-CNN, розпізнавати типові моделі флуоресценції, пов’язані з тим, як виглядають вмирають клітини. Брати Лінслі показали, що модель була на 96 відсотків точною і кращою, ніж люди-спостерігачі, і була більш ніж у 100 разів швидше, ніж попередні методи диференціації живих і мертвих клітин.

«Для деяких типів клітин людині надзвичайно важко визначити, жива клітина чи мертва, але наша комп’ютерна модель, навчаючись у GEDI, змогла відрізнити їх на основі частин зображень, які ми раніше не знали. допомагали розрізняти живі та мертві клітини», – каже Джеремі Лінслі.

І GEDI, і BO-CNN тепер дозволять дослідникам проводити нові високопродуктивні дослідження, щоб виявити, коли і де вмирають клітини мозку — дуже важлива кінцева точка для деяких з найважливіших захворювань. Вони також можуть перевіряти ліки на їх здатність затримувати або уникати загибелі клітин при нейродегенеративних захворюваннях. Або, у випадку раку, вони можуть шукати ліки, які прискорюють загибель хворих клітин.

«Ці технології змінюють нашу здатність розуміти, де, коли і чому в клітинах відбувається смерть», — говорить Фінкбайнер. «Вперше ми можемо по-справжньому використати швидкість та масштаб, які забезпечують досягнення в роботі мікроскопії, щоб точніше виявити смерть клітини, і зробити це задовго до моменту смерті. Ми сподіваємося, що це може привести до більш специфічної терапії для багатьох нейродегенеративних захворювань, які досі не піддавалися лікуванню».

Про автора

Аватар Лінди Хонхольц

Лінда Хонхольц

Головний редактор для eTurboNews базується в штаб-квартирі eTN.

Підписуватися
Сповістити про
гість
0 Коментарі
Вбудовані відгуки
Переглянути всі коментарі
0
Буду любити ваші думки, будь ласка, прокоментуйте.x
Поділіться з...