Tim naučnika sa Državnog univerziteta Montana nedavno je objavio jedinstveno istraživanje koje ispituje kako pojedinačne ćelije reaguju na virusnu infekciju. Rad je koristio najsavremeniju tehnologiju za kultivaciju ćelija i praćenje infekcije u realnom vremenu; to je prvi poznati projekat koji koristi mikrofluidnu tehnologiju za kultivisanje, inficiranje i praćenje infekcije na nivou jedne ćelije.
Naučnici sa Poljoprivrednog koledža MSU i Inženjerskog fakulteta Norm Asbjornson sarađivali su na interdisciplinarnom radu, koji je takođe uključivao Centar za biofilmsko inženjerstvo MSU. Rezultati projekta objavljeni su u časopisu Science Advances, u radu pod naslovom „Infekcija neurona virusom herpes simpleksa tipa 1 sa jednim ćelijama korišćenjem mikrofluidike zasnovane na kapljicama otkriva heterogenu kinetiku replikacije“.
Rukovodioci fakulteta na projektu bili su Metju Tejlor, vanredni profesor na Odseku za mikrobiologiju i ćelijsku biologiju, i Koni Čeng, koja je provela skoro deceniju na Odeljenju za hemijsko i biološko inženjerstvo pre nego što je preuzela poziciju fakulteta na klinici Mejo u Minesoti.
Ostali članovi tima su bili diplomirani studenti Jake Fredrikson, Luke Domanico i Shavna Pratt, kao i Emma Lovedai, koja je završila svoj postdoktorski rad dok je bila uključena u projekat, a sada je docent istraživač u MSU Centru za biofilmsko inženjerstvo.
„To je zaista bio zajednički napor“, rekao je Tejlor. „Inženjerski principi i tehnologija iza toga su bili iz Konijeve laboratorije. Džejk je bio jednostavno briljantan i smislio je kako da uzgaja neurone unutar ovih malih gelova, u suštini na mikronskoj skali. Svaka mala kuglica je rasla po jednu ćeliju.“
Te gel perle su stvorene korišćenjem mikrofluidike zasnovane na kapljicama, procesa kojim se naučni eksperimenti mogu izvesti na mikroskopskoj skali brže i sa manje troškova nego standardnim sredstvima. Čang je uporedio perle sa sićušnim sferama želatina, napravljenim od matrice koja omogućava ćelijama da rastu baš onako kako bi mogle u petrijevoj posudi, ali sa svakom pojedinačnom ćelijom u sopstvenom okruženju.
Fredrikson, koji je završio doktorat. u hemijskom i biohemijskom inženjerstvu u proleće 2023. godine, intenzivno je radio na rastu neurona – pojedinačnih nervnih ćelija – unutar sitnih perli stvorenih mikrofluidikom. Nakon što je taj proces pojednostavljen, tim je uveo ćelije u herpes simpleks virus-1, uobičajen virus koji izaziva herpes.
„To je u suštini bilo malo tkivo napravljeno u laboratoriji, gde smo mogli da ga inficiramo i gledamo kako se infekcija virusom dešava u 3D i u realnom vremenu“, rekao je Čang. „Rad sa Tejlorovom laboratorijom bio je kao savršena mešavina; inženjer i biolog koji rade zajedno da otkriju i urade nešto potpuno novo. Ovo je prvi put da je neko ikada uzgajao neurone na nivou jedne ćelije na ovoj vrsti kapljica.“
Specifični virus koji je tim koristio imao je jedinstveno projektovan kvalitet: fluorescirao bi u različitim bojama pod mikroskopom, dajući timu vizuelni okidač kako infekcija napreduje u pojedinačnim ćelijama. Kada bi virus inficirao ćeliju, izgledao je žuto, a kada je počeo da se umnožava – cilj virusa unutar svog domaćina da produži infekciju – postao je crven. Ćelije su bile izložene različitim količinama virusa da bi se ispitalo kako su reagovale.
Ali nije svaka ćelija reagovala na isti način, rekla je Tejlor, što je bilo neočekivano. Dok je većina ćelija požutela, nisu sve postale crvene, što znači da su neke ćelije efikasno zaustavljale virus da se replicira.
„Neverovatna stvar je to što je svaka ćelija bila izložena količini virusa koja bi trebalo da izazove infekciju“, rekao je Tejlor. „Znamo da su ćelije zaražene jer su žute. Sada odvajamo proces infekcije od produktivne replikacije. Razbijamo korene virusologije, osporavamo ove pretpostavke o tome šta ljudi misle da infekcija znači i pronalazimo jaz između onoga što mislimo da se dešava i šta zaista jeste.“
Ali kako i zašto su neke ćelije mogle da prekinu proces replikacije virusa? To pitanje će voditi opsežna buduća istraživanja, rekao je Tejlor.
„Ako ćelije mogu prirodno da ugase herpes viruse, a neuroni mogu da ga dobro kontrolišu, da li postoji nešto što možemo da iskoristimo da dodatno ograničimo produktivnu replikaciju? Ljudi pokušavaju da blokiraju infekciju herpesa eonima, bezuspešno“, rekao je on. „Ali postoji li način na koji bismo mogli da ugasimo virus i sprečimo da se umnožava?“
Dalje, rekao je Čang, primena tehnologije mikrofluidike i prvo ispitivanje ove vrste na nivou jedne ćelije moglo bi da stvori puteve za proučavanje drugih tipova ćelija, kao što su ćelije mozga ili pluća, i ispitivanje ćelijskog odgovora na druge infekcije u potrazi za tretmanima i lekovima.
Pošto mikrofluidika zasnovana na kapljicama omogućava eksperimentisanje u tako malom obimu, smanjuje troškove istraživanja, proširujući pristup naučnicima da sprovode najsavremenija istraživanja uz manje troškove. Potencijalne aplikacije su beskrajne, rekao je Tejlor.
„Mikrofluidika je veoma prilagodljiva, i ako radite sa veoma talentovanim inženjerom kao što smo mi radili, oni mogu dizajnirati sve vrste arhitekture koja može da izvrši različite manipulacije u procesu“, rekao je on. „Ono što se zaista menja je to što sada koristite mnogo manje količine svega. Možete pronaći ređe tipove ćelija, koristiti manje primarnog materijala i analizirati veće količine sa manje unosa.“
Bila je potrebna saradnja između različitih disciplina da bi se ubrzalo takvo novo dostignuće.
„Ovo su uvek najbolji projekti, oni koji premošćuju discipline, gde spajate svoju stručnost sa tuđom stručnošću“, rekao je Čang. „To su uvek najuticajniji, najzanimljiviji i zabavni projekti, i zato sam uvek voleo ovaj presek biologije i inženjerstva, koji premošćuje različite discipline.
Tejlor se složio, dodajući da projekat ne bi doživeo uspeh koji je postigao bez mešavine izvanrednih diplomiranih studenata, radoznalih fakulteta i laboratorija poput Centra za biofilmsko inženjerstvo koji se udružio u MSU.
„Najviše sam ponosan na novine jer zaista pokazuje srž saradnje“, rekao je on. „Upravo smo dobili pravi meč u pravo vreme da to bude magija, i zaista je bila magija. Bila je to neverovatno produktivna saradnja.“
