Tijdstip van overlijden: nieuwe technologie nodig voor grotere nauwkeurigheid

A HOLD FreeRelease 1 | eTurboNews | eTN
Avatar van Linda Hohnholz
Geschreven door Linda Hohnholz

Het is verrassend moeilijk te zeggen wanneer een hersencel dood is. Neuronen die onder de microscoop inactief en gefragmenteerd lijken, kunnen dagenlang in een soort limbo van leven of dood blijven bestaan, en sommige beginnen plotseling weer te signaleren nadat ze inert lijken.

Voor onderzoekers die neurodegeneratie bestuderen, maakt dit gebrek aan een precieze "tijd van overlijden" voor neuronen het moeilijk om vast te stellen welke factoren tot celdood leiden en om medicijnen te screenen die verouderende cellen kunnen redden van het afsterven.              

Nu hebben onderzoekers van Gladstone Institutes een nieuwe technologie ontwikkeld waarmee ze duizenden cellen tegelijk kunnen volgen en het precieze moment van overlijden voor elke cel in de groep kunnen bepalen. Het team toonde in een paper gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications aan dat de aanpak werkt in knaagdier- en menselijke cellen en in levende zebravissen, en kan worden gebruikt om de cellen over een periode van weken tot maanden te volgen.

"Het verkrijgen van een precieze tijd van overlijden is erg belangrijk voor het ontrafelen van oorzaak en gevolg bij neurodegeneratieve ziekten", zegt Steve Finkbeiner, MD, PhD, directeur van het Center for Systems and Therapeutics in Gladstone en senior auteur van beide nieuwe onderzoeken. "Het laat ons uitzoeken welke factoren direct celdood veroorzaken, welke incidenteel zijn, en welke coping-mechanismen kunnen zijn die de dood vertragen."

In een begeleidend artikel gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances, combineerden de onderzoekers de celsensortechnologie met een machinale leerbenadering, waarbij ze een computer leerden levende en dode cellen 100 keer sneller en nauwkeuriger te onderscheiden dan een mens.

"Het kostte studenten maanden om dit soort gegevens met de hand te analyseren, en ons nieuwe systeem is bijna onmiddellijk - het werkt eigenlijk sneller dan we nieuwe beelden op de microscoop kunnen verkrijgen", zegt Jeremy Linsley, PhD, een wetenschappelijk programmaleider in Finkbeiner's lab en de eerste auteur van beide nieuwe artikelen.

Een oude sensor nieuwe trucs leren

Wanneer cellen afsterven - wat de oorzaak of het mechanisme ook is - worden ze uiteindelijk gefragmenteerd en degenereren hun membranen. Maar dit afbraakproces kost tijd, waardoor het voor wetenschappers moeilijk is om onderscheid te maken tussen cellen die al lang niet meer functioneren, cellen die ziek zijn en sterven, en cellen die gezond zijn.

Onderzoekers gebruiken meestal fluorescerende tags of kleurstoffen om zieke cellen in de loop van de tijd met een microscoop te volgen en proberen te diagnosticeren waar ze zich binnen dit afbraakproces bevinden. Er zijn veel indicatorkleurstoffen, vlekken en labels ontwikkeld om de reeds dode cellen te onderscheiden van de cellen die nog in leven zijn, maar ze werken vaak slechts gedurende korte tijd voordat ze vervagen en kunnen ook giftig zijn voor de cellen wanneer ze worden aangebracht.

"We wilden echt een indicator die de hele levensduur van een cel meegaat - niet slechts een paar uur - en dan pas een duidelijk signaal geeft na het specifieke moment dat de cel sterft", zegt Linsley.

Linsley, Finkbeiner en hun collega's hebben calciumsensoren gecoöpteerd, oorspronkelijk ontworpen om calciumniveaus in een cel te volgen. Als een cel sterft en de membranen gaan lekken, is een neveneffect dat calcium het waterige cytosol van de cel binnenstroomt, dat normaal gesproken een relatief laag calciumgehalte heeft.

Dus ontwikkelde Linsley de calciumsensoren om in het cytosol te verblijven, waar ze alleen zouden fluoresceren als de calciumspiegels toenamen tot een niveau dat wijst op celdood. De nieuwe sensoren, bekend als genetisch gecodeerde doodsindicator (GEDI, uitgesproken als Jedi in Star Wars), kunnen in elk type cel worden ingebracht en signaleren dat de cel gedurende de hele levensduur van de cel leeft of dood is.

Om het nut van de opnieuw ontworpen sensoren te testen, plaatste de groep grote groepen neuronen - elk met GEDI - onder de microscoop. Na het visualiseren van meer dan een miljoen cellen, in sommige gevallen vatbaar voor neurodegeneratie en in andere blootgesteld aan giftige stoffen, ontdekten de onderzoekers dat de GEDI-sensor veel nauwkeuriger was dan andere celdoodindicatoren: er was geen enkel geval waarin de sensor was geactiveerd en een cel bleef in leven. Bovendien leek GEDI, naast die nauwkeurigheid, ook celdood in een eerder stadium te detecteren dan eerdere methoden - dicht bij het "point of no return" voor celdood.

"Hierdoor kun je levende en dode cellen scheiden op een manier die nog nooit eerder mogelijk was", zegt Linsley.

Detectie van bovenmenselijke dood

Linsley noemde GEDI aan zijn broer - Drew Linsley, PhD, een assistent-professor aan de Brown University die gespecialiseerd is in het toepassen van kunstmatige intelligentie op grootschalige biologische gegevens. Zijn broer stelde voor dat de onderzoekers de sensor gebruiken, in combinatie met een machine learning-aanpak, om een ​​computersysteem te leren om levende en dode hersencellen te herkennen, alleen op basis van de vorm van de cel.

Het team koppelde de resultaten van de nieuwe sensor aan standaard fluorescentiegegevens op dezelfde neuronen, en ze leerden een computermodel, BO-CNN genaamd, om de typische fluorescentiepatronen te herkennen die verband houden met hoe stervende cellen eruit zien. Het model, zo lieten de gebroeders Linsley zien, was 96 procent nauwkeurig en beter dan wat menselijke waarnemers kunnen doen, en was meer dan 100 keer sneller dan eerdere methoden om levende en dode cellen te onderscheiden.

"Voor sommige celtypen is het extreem moeilijk voor een persoon om te bepalen of een cel levend of dood is - maar ons computermodel kon ze onderscheiden door te leren van GEDI op basis van delen van de afbeeldingen die we niet eerder hadden gekend waren nuttig bij het onderscheiden van levende en dode cellen”, zegt Jeremy Linsley.

Zowel GEDI als BO-CNN zullen de onderzoekers nu in staat stellen nieuwe, high-throughput studies uit te voeren om te ontdekken wanneer en waar hersencellen afsterven - een zeer belangrijk eindpunt voor enkele van de belangrijkste ziekten. Ze kunnen ook geneesmiddelen screenen op hun vermogen om celdood bij neurodegeneratieve ziekten uit te stellen of te voorkomen. Of, in het geval van kanker, kunnen ze medicijnen zoeken die de dood van zieke cellen bespoedigen.

"Deze technologieën veranderen ons vermogen om te begrijpen waar, wanneer en waarom de dood plaatsvindt in cellen", zegt Finkbeiner. "Voor de eerste keer kunnen we de snelheid en schaal die wordt geboden door de vooruitgang in robot-geassisteerde microscopie echt benutten om celdood nauwkeuriger te detecteren, en dit ruim voor het moment van overlijden. We hopen dat dit kan leiden tot meer specifieke therapieën voor veel neurodegeneratieve ziekten die tot nu toe ongeneeslijk waren."

Over de auteur

Avatar van Linda Hohnholz

Linda Hohnholz

Hoofdredacteur voor eTurboNews gevestigd in het eTN-hoofdkwartier.

Inschrijven
Melden van
gast
0 Heb je vragen? Stel ze hier.
Inline feedbacks
Bekijk alle reacties
0
Zou dol zijn op je gedachten, geef commentaar.x
Delen naar...