פרוטוקול זה מתאר שיטה נטולת תוויות לניתוח מהיר של תא בודד של ספירת תאי הרג טבעי (NK) ופעילותם באמצעות טכנולוגיית הדמיית צל ללא עדשה. שיטה זו מכמתת שינויים מורפולוגיים בתאי NK בודדים על ידי ניתוח ממוחשב של דפוסי העקיפה שלהם.
מאמר שיטה
* These authors contributed equally
פרוטוקול זה מתאר שיטה נטולת תוויות לניתוח מהיר של תא בודד של ספירת תאי הרג טבעי (NK) ופעילותם באמצעות טכנולוגיית הדמיית צל ללא עדשה. שיטה זו מכמתת שינויים מורפולוגיים בתאי NK בודדים על ידי ניתוח ממוחשב של דפוסי העקיפה שלהם.
תאי הרג טבעיים (NK) הם משפיעים חשובים על חסינות מולדת שמחסלים תאים נגועים בנגיף וממאירים. ניטור פעילות תאי NK חיוני להערכת תפקוד מערכת החיסון. עם זאת, שיטות קונבנציונליות, כגון ציטומטריית זרימה, הן עתירות עבודה וגוזלות זמן. פרוטוקול זה מתאר טכניקה נטולת תוויות לניתוח מהיר של פעילות תאי הרג טבעי (NK) באמצעות טכנולוגיית הדמיית צל ללא עדשה (LSIT). תאי NK שבודדו מדם היקפי ועוררו באמצעות מפעיל קנייני נותחו באמצעות פלטפורמת LSIT תוך 5 דקות. פלטפורמת LSIT לוכדת תמונות הולוגרפיות, הידועות כתמונות צל, שנוצרו על ידי הפרעות של אור עם תאי NK, ומנטרת את מצב ההפעלה שלהן על ידי ניתוח שינויים בפרמטרי הצל. פרמטרים מרכזיים הנגזרים מתמונות הצל, כולל מרחק השיא לשיא (PPD) וסטיית התקן של הרוחב המקסימלי המשני (WSM-SD), שיקפו כמותית את המורפולוגיה של התא ואת המורכבות הפנימית. פרמטרים אלה שולבו בפרמטר הצל המשולב (CSP) ובמדד החסינות המולדת (I3) כדי לספק הערכה וכימות מקיפים של פעילות תאי NK על סמך שינויים מורפולוגיים בתאים. I3, המחושב כאחוז השינוי ב-CSP לאחר ההפעלה, שימש כמדד ישיר לפעילות תאי NK. תאי NK מאנשים בריאים הראו באופן עקבי ערכי I3 גבוהים משמעותית מאלו של אנשים מדוכאי חיסון. פלטפורמת LSIT מאפשרת פרופיל חיסוני מהיר וחסכוני המתאים לאבחון נקודתי.
מורפולוגיה של תאים מסתמנת כאינדיקטור מרכזי למנגנונים המולקולריים. זה לא רק מספק ייצוג חזותי של מבנה התא אלא גם מציע תובנות חשובות לגבי התהליכים והתפקודים הבסיסיים של תאים בודדים1. ניתוח הצורה, הגודל והפעילות של תאי חיסון ברמת התא הבודד מספק תובנות מכריעות לגבי התנהגותם, ההטרוגניות ותפקידיהם בבריאות ומחלות 2,3,4,5,6.
בין התאים החיוניים הללו ניתן למצוא תאי הרג טבעיים (NK), המהווים מרכיב מרכזי במערכת החיסון המולדת 7,8. הם מחסלים תאים נגועים בנגיף ותאים סרטניים ומווסתים את התגובה החיסונית הנרכשת באמצעות שחרור ציטוקינים 9,10,11. סרטן, זיהומים נגיפיים וחסרים חיסוניים מפחיתים לעתים קרובות את מספר תאי ה-NK ופוגעים בתפקודיהם 12,13,14. לכן, הפעלת תאי NK משמשת כסמן ביולוגי חשוב ומספקת מידע על הבריאות הכללית של מערכת החיסון. כתוצאה מכך, הערכה מהירה של תא בודד של הפעלת תאי NK חיונית לפרוגנוזה, אבחון, ניטור מחלות וריבוד חולים 15,16,17,18.
נכון לעכשיו, פעילות תאי NK מוערכת על סמך היכולת הציטוטוקסית שלהם (היכולת להרוג תאי מטרה) וייצור ציטוקינים 19,20,21,22. שיטות קונבנציונליות למדידת ציטוטוקסיות בתיווך תאים23, כגון מבחני שחרור כרום-51 (51Cr)24,25, מבחני זרימה ציטומטריים26,27 ומבחני אימונוסורבנט מקושרים לאנזים (ELISA) לכימות אינטרפרון-גמא (IFN-γ) המופרשים על ידי תאי NK לאחר גירוי 28,29,30 יש מספר מגבלות. אלה כוללים היעדר סטנדרטיזציה, פרוטוקולים ארוכים (למשל, דגירה של ELISA בלילה), תלות בתיוג תאים ועלויות ציוד גבוהות 31,32,33. אתגרים אלה מדגישים את הצורך בשיטות חדשניות המציעות תוצאות מהירות, עלות-תועלת, ניתוח ללא תוויות ותפוקה גבוהה. בנוסף, הערכת הפעלת תאי NK ברמת התא הבודד מספקת תובנות מפורטות לגבי הטרוגניות האוכלוסייה ותגובות תאיות בודדות לגירוי.
בין הטכנולוגיות המתפתחות שמטרתן להתגבר על מגבלות אלו, טכנולוגיית הדמיית צל ללא עדשות (LSIT) היא פתרון יעיל במיוחד 34,35,36. LSIT, הולוגרפיה דיגיטלית מוטבעת פשוטה (DIH), מאפשרת ניתוח מהיר, ללא תוויות ותפוקה גבוהה של הפעלת תאי NK ברזולוציה של תא יחיד 37,38,39. ה-DIH לוכד דפוסי הפרעה בין אור לייזר מפוזר לקרן ייחוס קוליניארית בחיישן דיגיטלי כדי לשחזר מידע תלת מימדי (תלת מימד) על עצמים מיקרוסקופיים40,41. ה-LSIT מפשט גישה זו על ידי שימוש בחיישן LED, מיקרו-חור ו-CMOS קוהרנטי חלקית כדי ללכוד את דפוסי העקיפה (כלומר, תמונות צל) של תאים 42,43,44,45. הרציונל לטכניקה זו מבוסס על התצפית כי הפעלת תאים חיסוניים גורמת לעתים קרובות לשינויים מורפולוגיים, כולל שינויים בגודל התא, צורה, גרגיריות ציטופלזמית ומבנה גרעיני 46,47,48,49,50. ה-LSIT רגיש מאוד לשינויים אלה, שיש להם השפעה ישירה על דפוסי העקיפה 51,52,53.
בהתבסס על הרגישות של LSIT לשינויים מורפולוגיים אלה והשפעותיהם על דפוסי עקיפה, פרוטוקול זה מציג שיטה חדשה לכימות מהיר ומדויק של ספירת תאי NK ופעילות תפקודית ברמת התא הבודד באמצעות פלטפורמת Cellytics NK, המכונה להלן פלטפורמת LSIT54. כפי שמוצג באיור 1A, פלטפורמת LSIT משלבת עיבוד דגימות, הפעלה והדמיית צל בזרימת עבודה רב-ערוצית קומפקטית. תאי NK בודדו מדם מלא, עוררו עם קוקטייל ממריץ הפעלה (ASC) שנוסח במיוחד, והועמסו על שבב בדיקה ייעודי. ASC גורם לשינויים מורפולוגיים בתאי NK תוך שעה אחת מהחשיפה, כגון גודל תא מוגדל ומורכבות פנימית, אותם ניתן לזהות במדויק באמצעות פלטפורמת LSIT55,56.
פלטפורמת LSIT משתמשת במקור אור LED ובחיישן CMOS כדי ללכוד את דפוסי ה-DIH (צללים) של תאים בודדים (איור 1B). לאחר מכן, אלגוריתם מיוחד מנתח את דפוסי הצל הללו ומחלץ פרמטרים מרכזיים, כגון מרחק השיא לשיא (PPD), המתאם עם גודל התא, וסטיית התקן של רוחב המקסימום המשני (WSM-SD), המתואמת עם המורכבות ואי הסדירות של הציטופלזמה (איור 1C,D). על ידי השוואת הערכים לפני ואחרי הגירוי, הפלטפורמה מחשבת מדדים מורכבים: פרמטר הצל המשולב (CSP = PPD × WSM-SD) ומדד החסינות המולדת (I³), המשקפים את אחוז השינוי ב- CSP לאחר ההפעלה. הסיבה להכנסת CSP היא שהפעלה חיסונית כרוכה הן בהגדלת תאים והן במורכבות ציטופלזמית מוגברת. הסתמכות רק על אחד משני הקריטריונים עלולה לפספס הפעלה גבולית או להיות מושפעת מרעש, כגון פסולת או תאורה לא סדירה. ה-CSP משפר את הסיווג על ידי דרישת תזוזות עקביות בשני המדדים. מדדים אלה מסווגים את מצבי ההפעלה של אוכלוסיות תאים שונות ללא תיוג פלואורסצנטי או עיבוד דגימות מורכב.
פרוטוקול זה שימושי במיוחד עבור חוקרים וקלינאים הזקוקים לשיטה מהירה, כמותית ונטולת תוויות לניטור שינויים מורפולוגיים הנגרמים על ידי הפעלה בתאי חיסון. הוא מתאים למחקר אימונולוגי בסיסי, סינון תרופות פרה-קליניות והערכה של אימונותרפיות, ויכול לשמש ככלי אבחון או פרוגנוסטי במסגרות קליניות שבהן הערכה מהירה של מצב החיסון חיונית. שיטה זו דורשת אוכלוסיות תאים מבודדות, גישה לפלטפורמת LSIT וקוקטייל ספציפי להפעלת תאי NK.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
כל המחקרים פעלו בהתאם להנחיות המוסדיות ואושרו על ידי מועצת הביקורת המוסדית של בית החולים אנאם של אוניברסיטת קוריאה (מספר אישור: 2021AN0040). הריאגנטים והציוד המשמש מפורטים בטבלת החומרים.
1. איסוף וטיפול בדגימות
הערה: טפל בכל דגימות הדם האנושיות תוך שימוש באמצעי זהירות סטנדרטיים ובציוד המגן האישי המתאים.
2. בידוד והפעלה של תאי NK
הערה: פרוטוקול זה מציג זרימת עבודה אופטימלית ומקיפה לבידוד והפעלה של תאי NK ישירות מדם מלא אנושי באמצעות ערכת NK Prep, המורכבת מערכת NK Sep לבידוד תאים וערכת הפעלת NK לגירוי. ערכה זו משלבת ברירה וגירוי שליליים מבוססי חרוזים מגנטיים כדי לאפשר הערכה פנוטיפית מהירה באמצעות פלטפורמת ציטומטריית הדמיה ללא עדשות.
3. הדמיה וניתוח עם פלטפורמת LSIT
הערה: יש לנתח תאים מיד לאחר הדגירה. אם לא ניתן לבצע ניתוח מיידי, אחסן את התאים המודגרים בטמפרטורה של 2-8 מעלות צלזיוס ונתח אותם תוך 6 שעות. פלטפורמת LSIT מעריכה את המורפולוגיה והספירה של התאים בדגימות דם אנושיות באמצעות DIH. כדי לנתח את הפעילות החיסונית, גם תאי NK לא מגורים וגם תאי ASC הועמסו על שקופית מיוחדת, הוכנסו למכשיר וצולמו אוטומטית.
4. ניקוי לאחר הניתוח
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
בעקבות פרוטוקול זה, פלטפורמת LSIT מאפשרת הערכה כמותית ונטולת תוויות של הפעלת תאי NK על סמך שינויים מורפולוגיים בתאים. איור 2A מראה תכשירי ציטוספין מוכתמים ב-Hema-3 של תאי NK ראשוניים מתורמים בריאים לאחר דגירה של שעתיים עם או בלי ASC. הפעלה על ידי ASC מביאה לשינויים ניכרים, בעיקר הגדלת תאים ועלייה במורכבות פנימית או גרעיניות, בהשוואה לבקרות רכב (לא מגורה). שינויים אלה נלכדים בצורה של דפוסי עקיפה של צל, המנותחים על ידי פלטפורמת LSIT באמצעות תוכנה משולבת כדי לחלץ את הפרמטרים המורפומטריים העיקרי...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
פרוטוקול זה מציג שיטה סטנדרטית ונטולת תוויות לכימות הפעלת תאי NK המשלבת בידוד והפעלה של תאים באמצעות ערכת ההכנה של NK, עם ניתוח באמצעות פלטפורמת LSIT. הוא מציע אלטרנטיבה מהירה וכמותית לבדיקות קונבנציונליות כגון שחרור 51Cr, ציטומטריית זרימה ו-ELISA. הפרוטוקול פותח עבור מעבדות המצוידות בפלטפורמת LSIT ומספק תוצאות פשוטות המבוססות על ניתוח תמונת צל של מספר תאי NK ו-I3. רזולוציית התא הבודד שלו מספקת תובנות מפורטות שאינן אפשריות עם מבחני מסה כגון ELISA.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
I.L., S.H., H.S.J. ו-S.S. קשורים ל-Metaimmunetech Inc., חברה המעורבת בפיתוח ומסחור פלטפורמת ה-LSIT המוצגת במחקר זה. באופן ספציפי, H.S.J. הוא המייסד והמנכ"ל, S.H. הוא המנכ"ל, ו-S.S. הוא ה-CTO של החברה. עם זאת, המחברים מאשרים כי התוצאות והפרשנויות בכתב יד זה מדווחות באופן אובייקטיבי ואינן מושפעות מאינטרסים מסחריים מכל סוג שהוא. כל שאר המחברים מצהירים שאין ניגודי אינטרסים.
מחקר זה נתמך על ידי תוכניות המחקר המדעי הבסיסי של קרן המחקר הלאומית (NRF) של קוריאה (מענק#: RS-2024-00353675, מענק#: 2021R1I1A3056109), תוכנית התמיכה של ITRC (מרכז המחקר לטכנולוגיית מידע) בפיקוח ה-IITP (המכון לתכנון והערכה של טכנולוגיות מידע ותקשורת) והסוכנות לקידום מסחור לתוצאות מו"פ (COMPA) במימון משרד המדע והתקשוב (MSIT), קוריאה (מענק #: IITP-2025-RS-2023-00258971 (50%), מענק #: 2710084652), תוכנית התמיכה של המכון הקוריאני לקידום מדע וטכנולוגיה ימית (KIMST) במימון משרד האוקיינוסים והדיג, קוריאה (מענק #: 20210660), ומענק אוניברסיטת קוריאה. המחברים מודים ל-Metaimmunetech Inc על שיתוף הפעולה, המבוסס על הטכנולוגיה שהועברה מאוניברסיטת קוריאה, בפיתוח מכשיר Cellytics NK.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| צינורות מיקרוצנטריפוגה 1.7 מ"ל | אקסיג'ן | MCT-175-C | סטרילי, נטול DNase/RNase |
| שקופית בדיקה | Metaimmunetech | AS050-G | שקופית ייעודית למערכת Cellytics 50 שקופיות בקופסה |
| מערכת Cellytics עם תוכנה | Metaimmunetech | CS001 | פלטפורמת הדמיית צל ללא עדשה |
| צנטריפוגה (רוטור דלי נדנדה) | לבוג'ן | 1580R | 300– 500 ופעמים; טווח G |
| חיישן תמונה CMOS | כלול במכשיר Cellytics | משולב | משמש להדמיית עקיפה |
| צנטריפוגה ציטוספין | נאסקו, קוריאה | צנטריפוגה TXT3 Cyto | לצביעת ציטוספין |
| בלוק חימום דיגיטלי (37 & deg; C) | דייהאן סיינטיפיק | ד. WHB00349 | לדגירת תאים |
| ערכת ELISA (IFN-γ) | מו"פ מערכת D | DIF50C | IFN אנושי - וגמא; ערכת ELISA |
| ציטומטר זרימת גויאבה easyCyte | מיליפור | 0500-5005 | עבור ניתוח ביטוי CD107a |
| חבילת Hema 3 סטטיסטיקה | תרמו-פישר | 122-911 | לצביעת ציטוספין |
| IL-12 (אדם רקומביננטי) | מו"פ מערכת D | רכיב של ASC | |
| IL-2 (אדם רקומביננטי) | פפרוטק | 200-02 | רכיב של ASC |
| מתלה הפרדה מגנטית | Metaimmunetech | M13R8 | להפרדת חרוזים |
| שקופיות מיקרוסקופ | מרינפלד | 1000612 | לתכשירי ציטוספין |
| ערכת הפעלה NK | Metaimmunetech | MIT2301V, MIT2301A | להפעלת תא NK |
| ערכת ספ NK | Metaimmunetech | MIT2301-500 | לבידוד תאי NK |
| עכבר PE אנטי אנושי CD107a, 100test | BD מדעי הביולוגיה | 555801 | עבור ניתוח ביטוי CD107a |
| צמצם חור סיכה | כלול במכשיר Cellytics | משולב | משמש בנתיב תאורת LSIT |
| פיפטות (2– 20 ומיקרו; L, 20– 200 ומיקרו; L) | אקסיג'ן | T-200-Y | עוצמת קול מתכווננת |
| שקופית כיול צל | Metaimmunetech | AS050-G | לכיול המכשיר. 1 שקופית כיול בקופסת שקופיות בדיקה אחת |
| מערבל מערבולת | מרק | SI-0246א | להשעיה מחדש |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה
בקש הרשאה