פרוטוקול בדיקת גזירה לקביעת תכונות חומר חד-תאי
19 במאי 2023
פרוטוקול זה מתאר את כימות התכונות המכניות של קווי תאים סרטניים ולא סרטניים במבחנה. הבדלים שמורים במכניקה של תאים סרטניים ונורמליים יכולים לשמש כסמן ביולוגי שעשוי להיות בעל השלכות על הפרוגנוזה והאבחנה.
סימני ההיכר הפיזיים של סרטן הם נושאים חדשים ומרגשים יחסית בחקר הסרטן. המחקר שלנו מבקש לאפיין באופן ספציפי את התכונות המכניות של תאים סרטניים ולא-סרטניים כדי להבין טוב יותר את המנגנונים הפיזיים שבאמצעותם תאים סרטניים שורדים כוחות גזירה בגוף ופולשים למערכת החיסון. ההתפתחות האחרונה בתקופת המחקר שלי היא השימוש בהתקנים מיקרופלואידים ובטכניקות בעלות תפוקה גבוהה כדי לחקור בקנה מידה גדול יותר, עיוות תאי ואת התכונות הויסקו-אלסטיות של תאים, וגם בזיהוי סמנים ביולוגיים חדשים כגון ויסות חלבוני שלד ציטו-שלד וחלבוני מטריצה חוץ-תאיים לאבחון מוקדם של סרטן.
האתגרים הניסיוניים הנוכחיים המעורבים בתחום זה הם המורכבות של מיקרו-סביבת הגידול, קנה מידה של תפוקה, תרגום קליני, סטנדרטיזציה ושחזור, ושילוב של נתונים רב-מודאליים. לכן, חלק מהממצאים המשמעותיים שביססתי בתחום זה ממחקרי הקודמים ומהמחקר הנוכחי שלי הוא שניתן להבדיל בין תאים סרטניים לתאים נורמליים בהתבסס על תגובותיהם לגורמי עקה מכניים. והמידה שבה התנגדות ללחצים מכניים תלויה בשלמות המבנית, המוכתבת במידה סבירה על ידי נוכחותם של חלבונים ציטו-שלדיים כמו אקטין נימה וחלבונים מבניים אחרים בתוך התא.
הפרוטוקול שלנו מציע גישה פשוטה, חוזרת ולא הרסנית לאפיון תאים בתרבית באופן מכני. זאת בניגוד לטכניקות אחרות כמו AFM ופינצטה אופטית, הדורשות רמה מסוימת של מומחיות טכנית על מנת לבצע ניסוי בתפוקה נמוכה יחסית. במסגרת השימוש בטכניקת חומצת הגזירה, תקדם מאוד את האפיון המכני של התא הבודד, ותסייע גם בתחומי חתך רבים ושונים כגון אבחון מחלות נדירות, אבחון וטיפול מותאמים אישית, וניטור אינטראקציות בין תרופתיות חד-תאיות.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
פרוטוקול זה מפרט את הכמות של התכונות המכניות של שורות תאים סרטניות ולא סרטניות in vitro. הבנת הבדלים מכניים אלו יכולה לספק תובנות לגבי הפרוגנוזה והאבחנה של הסרטן.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- מכניקה של תאים
- מחקר הסרטן
- פיתוח סמנים ביולוגיים
רקע
- המאפיינים הפיזיים של הסרטן הם קריטיים להבנת התנהגות הגידולים השומנניים.
- אפיון תכונות מכניות מסייע בזיהוי האופן שבו תאי סרטן שורדים ופולשים.
- התקני מיקרופלואידיקה וטכניקות עם תפוקה גבוהה הם כלים מתפתחים בתחום מחקר זה.
- האתגרים כוללים את מורכבות הסביבה המיקרו-סרטנית ואת התרגום לקליניקה.
מטרת המחקר
- לכימות תכונות מכניות של תאים סרטניים לעומת תאים שאינם סרטניים.
- לבחינת יכולת העיוות התאית ותכונות ויסקו-אלסטיות.
- לזיהוי סמנים ביולוגיים חדשים לאבחון מוקדם של סרטן.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- כימות של תכונות מכניות באמצעות התקנים מיקרופלואידיים.
- הערכה של תגובות תאיים למאמצים מכניים.
- ניתוח של בקרה על חלבוני השלד התאי והמטריצה החוץ-תאית.
- טכניקות בסביקת תפוקה גבוהה למחקרים רחבי היקף.
תוצאות עיקריות
- תאי סרטן מראים תגובות מכניות מובחנות בהשוואה לתאים רגילים.
- עמידות למאמץ מכני קשורה לשלמות השלד התאי.
- זיהוי חלבונים מבניים המשפיעים על המכניקה של התא.
- תובנות לגבי סממנים ביולוגיים פוטנציאליים לאבחון סרטן.
מסקנות
- תכונות מכניות יכולות לשמש כסמנים ביולוגיים לסרטן.
- הבנת מכניקת התא היא קריטית למחקר על סרטן.
- מחקרים עתידיים צריכים להתמקד בהתגברות על אתגרים ניסיוניים נוכחיים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
הערכה כמותית של תכונות מכניות של תא בודד נותנת מענה לפער קריטי בביולוגיה של הסרטן, על ידי מתן אפשרות למדידה סטנדרטית ו可-שחזור של פנוטיפים ביומכניים. יכולת זו תומכת בהפחתת סיכונים מכניסטיים ובתיקוף מטרות בשלבים המוקדמים ביותר של גילוי בתחום האונקולוגיה, ומספקת מידע הן לפיתוח ביומרקרים והן לסינון תיקי פיתוח. שילוב של קריאות ביופיזיות חסונות בצינורי מו"פ מגביר את הביטחון החזוי בבחירת מערכות רלוונטיות למחלה ובקבלת החלטות מוקדמות של המשך או הפסקה (go/no-go).
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- מאפשרת חקירה ישירה של ביומכניקה תאית כפנוטיפ תפקודי לצורך תיקוף מטרה.
- תומכת בהפחתת סיכונים מנגנונית על ידי הבחנה בין תאים ממאירים לתאים שאינם ממאירים על בסיס תכונות ויסקו-אלסטיות.
- מסייעת בזיהוי של ביומרקרים ביופיזיקליים הקשורים לוויסות השלד התאי והמטריצה החוץ-תאית.
- מספקת נתונים כמותיים לביסוס רמת ביטחון חיזויית במודלים הרלוונטיים למחלה.
סריקה ופיתוח בדיקות (Assay)
- מספק בדיקות תא בודד סטנדרטיות וניתנות לחזרה, המתאימות לתהליכי סריקה בהמשך (downstream).
- מייצר פלטי של מאמץ ודפורמציה כמותיים לפיתוח בדיקות חסון.
- מאפשר השוואה הדירה של השפעות תרכובות על מכניקת התא בסביבות בעלות תפוקה גבוהה.
- תומך ביכולת הרחבה (scalability) של הפלטפורמה וביכולת השוואה בין מחקרים באמצעות אנליזות של קורלציית תמונות דיגיטליות.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- מתאימה מדדים ביופיזיקליים לאסטרטגיות של סמנים ביולוגיים תרגומיים לאבחון מוקדם של סרטן.
- מספקת רצף מתובנות מכניסטיות בשלב הגילוי ועד לבחירת מודלים פרה-קליניים.
- מאפשרת קידום מותאם סיכונים על ידי קישור פנוטיפים מכניים למצבי התקדמות של המחלה.
- תומכת בניטור אינטראקציות בין תרופות לתאים בודדים הרלוונטיות לגישות של רפואה מותאמת אישית.
שילוב תהליכי עבודה וצינור עיבוד
פרוטוקול בדיקת גזירה זה משולב בממשק שבין שלבי הגילוי המוקדמים לזיהוי מובילים (lead identification), ומספק תהליך עבודה סטנדרטי לכימות מכניקה תאית ולתמיכה במחקרים תרגומיים המשכיים.
- ביולוגיה של גילוי: מסייעת בבדיקת השערות לגבי תפקיד שלמות השלד התאי בהישרדות ופלישה של תאי סרטן.
- סריקה: מספקת נתונים כמותיים וניתנים לשחזור של דפורמציה ומאמץ לצורך מוכנות של בדיקות והערכת תרכובות.
- אנליטיקה: מספקת פלטי של מתאם תמונות דיגיטלי (digital image correlation) והתאמות של מודלים ויסקו-אלסטיים להשוואה סטטיסטית חזקה.
- מחקר תרגומי: מקשרת בין פנוטיפים מכניים לפיתוח סמנים ביולוגיים ולהערכת התקדמות מחלה.
- שימוש חוזר ארגוני: מכוננת פלטפורמה ניתנת להרחבה ולא הרסית לשימוש חוזר בסוגי תאים ובמודלים של מחלות מגוונים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזיוי ומפחית עמימות מכניסטית בתיקוף של מטרות.
- ערך תפעולי: משפר את הסטנדרטיזציה, השחזוריות והתפוקה במבחנים מכניים של תא בודד.
- ערך אסטרטגי: משפר החלטות מוקדמות של המשך/עצירה (go/no-go) ויעילות הון על ידי אפשור סינון ביופיזיקלי חסון.
- השפעה על הפורט폴יו: תומך בתיעדוף מותאם סיכון ובקידום נכסי אונקולוגיה המבוסס על פנוטיפים פונקציונליים.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות במיקרופלואידיקה, במתאם תמונות דיגיטלי (digital image correlation) ובמידול ויזקואלסטי.
- מחייב גישה למשאבות מזרקים ניתנות לתכנות, למיקרוסקופיה הפוכה ולתוכנה לניתוח DIC.
- מצריך סטנדרטיזציה בין-צוותית של הגדרות הבדיקה ושל פרוטוקולי ניתוח הנתונים.
- ניתן להתאמה לסוגי תאים שונים, אך עשוי לדרוש אופטימיזציה עבור מודלים שונים של מחלות.
- קיבולת העיבוד (throughput) והאינטגרציה עם נתונים רב-מודיים נותרים שיקולים מעשיים עבור מחקרים רחבי היקף.
