Temps de la mort: nova tecnologia necessària per a una major precisió

Per als investigadors que estudien la neurodegeneració, aquesta manca d'una declaració precisa del "hora de la mort" per a les neurones fa que sigui difícil determinar quins factors condueixen a la mort cel·lular i examinar els fàrmacs que podrien evitar que les cèl·lules envellides morin.              

Ara, els investigadors dels Gladstone Institutes han desenvolupat una nova tecnologia que els permet fer un seguiment de milers de cèl·lules alhora i determinar el moment precís de la mort de qualsevol cèl·lula del grup. L'equip va demostrar, en un article publicat a la revista Nature Communications, que l'enfocament funciona en cèl·lules de rosegadors i humans, així com en peixos zebra vius, i es pot utilitzar per seguir les cèl·lules durant un període de setmanes a mesos.

"Aconseguir un moment precís de la mort és molt important per esbrinar la causa i l'efecte de les malalties neurodegeneratives", diu Steve Finkbeiner, MD, PhD, director del Centre de Sistemes i Terapèutica de Gladstone i autor principal dels dos nous estudis. "Ens permet esbrinar quins factors estan causant directament la mort cel·lular, quins són incidentals i quins podrien ser mecanismes d'afrontament que retarden la mort".

En un article complementari publicat a la revista Science Advances, els investigadors van combinar la tecnologia del sensor cel·lular amb un enfocament d'aprenentatge automàtic, ensenyant a un ordinador a distingir cèl·lules vives i mortes 100 vegades més ràpid i amb més precisió que un humà.

"Els estudiants universitaris van trigar mesos a analitzar aquest tipus de dades a mà, i el nostre nou sistema és gairebé instantani; en realitat funciona més ràpid del que podem adquirir noves imatges al microscopi", diu Jeremy Linsley, PhD, líder del programa científic de Finkbeiner. laboratori i primer autor dels dos nous articles.

Ensenyant trucs nous a un sensor antic

Quan les cèl·lules moren, sigui quina sigui la causa o el mecanisme, finalment es fragmenten i les seves membranes degeneren. Però aquest procés de degradació requereix temps, cosa que fa que els científics siguin difícils de distingir entre cèl·lules que fa temps que han deixat de funcionar, les que estan malaltes i moribundes i les que estan sanes.

Els investigadors solen utilitzar etiquetes o colorants fluorescents per seguir les cèl·lules malaltes amb un microscopi al llarg del temps i intentar diagnosticar on es troben dins d'aquest procés de degradació. S'han desenvolupat molts colorants indicadors, taques i etiquetes per distingir les cèl·lules ja mortes de les que encara estan vives, però sovint només funcionen durant períodes curts de temps abans de descolorir-se i també poden ser tòxiques per a les cèl·lules quan s'apliquen.

"Realment volíem un indicador que durés tota la vida d'una cèl·lula, no només unes poques hores, i que només doni un senyal clar després del moment concret de la mort de la cèl·lula", diu Linsley.

Linsley, Finkbeiner i els seus col·legues van optar per sensors de calci, dissenyats originalment per fer un seguiment dels nivells de calci dins d'una cèl·lula. A mesura que una cèl·lula mor i les seves membranes es fan goteres, un dels efectes secundaris és que el calci es precipita al citosol aquós de la cèl·lula, que normalment té nivells relativament baixos de calci.

Així doncs, Linsley va dissenyar els sensors de calci per residir al citosol, on només fluorescen quan els nivells de calci augmentaven a un nivell que indiqui la mort cel·lular. Els nous sensors, coneguts com a indicador de mort codificat genèticament (GEDI, pronunciat com Jedi a Star Wars), es podrien inserir en qualsevol tipus de cèl·lula i indicar que la cèl·lula està viva o morta durant tota la vida de la cèl·lula.

Per provar la utilitat dels sensors redissenyats, el grup va col·locar grans grups de neurones, cadascuna amb GEDI, sota el microscopi. Després de visualitzar més d'un milió de cèl·lules, en alguns casos propenses a la neurodegeneració i en d'altres exposades a compostos tòxics, els investigadors van trobar que el sensor GEDI era molt més precís que altres indicadors de mort cel·lular: no hi va haver cap cas en què el sensor fos. activat i una cèl·lula va romandre viva. A més, a més d'aquesta precisió, GEDI també semblava detectar la mort cel·lular en una etapa anterior que els mètodes anteriors, prop del "punt de no retorn" de la mort cel·lular.

"Això us permet separar les cèl·lules vives i les mortes d'una manera que mai abans no havia estat possible", diu Linsley.

Detecció de la mort sobrehumana

Linsley va esmentar GEDI al seu germà: Drew Linsley, PhD, professor ajudant de la Universitat de Brown que s'especialitza en l'aplicació de la intel·ligència artificial a dades biològiques a gran escala. El seu germà va suggerir que els investigadors utilitzessin el sensor, juntament amb un enfocament d'aprenentatge automàtic, per ensenyar a un sistema informàtic a reconèixer cèl·lules cerebrals vives i mortes basant-se només en la forma de la cèl·lula.

L'equip va acoblar els resultats del nou sensor amb dades de fluorescència estàndard a les mateixes neurones i van ensenyar un model informàtic, anomenat BO-CNN, per reconèixer els patrons de fluorescència típics associats a com semblen les cèl·lules moribundes. El model, van demostrar els germans Linsley, era un 96 per cent precís i millor que el que poden fer els observadors humans, i era més de 100 vegades més ràpid que els mètodes anteriors per diferenciar cèl·lules vives i mortes.

"Per a alguns tipus de cèl·lules, és extremadament difícil per a una persona saber si una cèl·lula està viva o morta, però el nostre model informàtic, aprenent de GEDI, va poder diferenciar-les a partir de parts de les imatges que no havíem conegut anteriorment. van ser útils per distingir cèl·lules vives i mortes", diu Jeremy Linsley.

Tant GEDI com BO-CNN permetran ara als investigadors dur a terme nous estudis d'alt rendiment per descobrir quan i on moren les cèl·lules cerebrals, un punt final molt important per a algunes de les malalties més importants. També poden examinar els fàrmacs per determinar la seva capacitat per retardar o evitar la mort cel·lular en malalties neurodegeneratives. O, en el cas del càncer, poden buscar fàrmacs que acceleren la mort de cèl·lules malaltes.

"Aquestes tecnologies canvien el joc en la nostra capacitat d'entendre on, quan i per què la mort es produeix a les cèl·lules", diu Finkbeiner. "Per primera vegada, podem aprofitar realment la velocitat i l'escala que proporcionen els avenços en la microscòpia assistida per robots per detectar amb més precisió la mort cel·lular i fer-ho amb molta antelació al moment de la mort. Esperem que això pugui conduir a terapèutiques més específiques per a moltes malalties neurodegeneratives que fins ara han estat incurables".