Organele — delovi RNK i proteina unutar ćelije — igraju važnu ulogu u ljudskom zdravlju i bolestima, kao što su održavanje homeostaze, regulisanje rasta i starenja i stvaranje energije. Raznovrsnost organela u ćelijama ne postoji samo između tipova ćelija, već i pojedinačnih ćelija. Proučavanje ovih razlika pomaže istraživačima da bolje razumeju funkciju ćelija, što dovodi do poboljšane terapije za lečenje različitih bolesti.
U dva rada iz laboratorije Ahmeta F. Coskuna, profesora rane karijere Bernija Markusa na Odseku za biomedicinsko inženjerstvo u Coulteru na Tehnološkom institutu Džordžije i Univerzitetu Emori, istraživači su ispitali specifičan tip matične ćelije pomoću intracelularnog alata za određivanje koje ćelije će najverovatnije stvoriti efikasne ćelijske terapije.
„Proučavamo postavljanje organela unutar ćelija i kako oni komuniciraju kako bi pomogli boljem lečenju bolesti“, rekao je Coskun. „Naš nedavni rad predlaže upotrebu intracelularnog kompleta alata za mapiranje bio-geografije organela u matičnim ćelijama što bi moglo dovesti do preciznijih terapija.“
Prva studija – objavljena u Scientific Reports – bavila se mezenhimalnim matičnim ćelijama (MSC) koje su istorijski nudile obećavajuće tretmane za popravku defektnih ćelija ili modulaciju imunološkog odgovora kod pacijenata. U nizu eksperimenata, istraživači su uspeli da kreiraju pristup sa jednom ćelijom zasnovan na podacima kroz brzo subćelijsko proteomsko snimanje koje je omogućilo personalizovanu terapiju matičnim ćelijama.
Istraživači su zatim primenili tehniku brze multipleksirane imunofluorescencije u kojoj su koristili antitela dizajnirana da ciljaju specifične organele. Uz pomoć fluorescentnih antitela, oni su pratili talasne dužine i signale kako bi sastavili slike mnogih različitih ćelija, stvarajući mape. Ove mape su zatim omogućile istraživačima da vide prostornu organizaciju kontakata organela i geografsko širenje u sličnim ćelijama kako bi odredili koji tipovi ćelija bi najbolje lečili različite bolesti.
„Obično se matične ćelije koriste za popravku defektnih ćelija ili lečenje imunoloških bolesti, ali naša mikro studija ovih specifičnih ćelija pokazala je koliko se one mogu razlikovati jedna od druge“, rekao je Coskun. „Ovo je dokazalo da populaciju pacijenata za lečenje i prilagođenu izolaciju identiteta matičnih ćelija i njihovu bioenergetsku funkciju organela treba uzeti u obzir pri odabiru izvora tkiva. Drugim rečima, u lečenju specifične bolesti, možda bi bilo bolje sakupiti istu vrstu ćelije sa različitih lokacija u zavisnosti od potreba pacijenta“.
U sledećoj studiji, objavljenoj ove nedelje u Cell Reports Methods, istraživači su napravili korak dalje, proučavajući prostornu organizaciju više susednih RNK molekula u pojedinačnim ćelijama, koji su važni za ćelijsku funkciju. Istraživači su razvili alat kombinovanjem mašinskog učenja i prostorne transkriptomije. Otkrili su da je analiza varijacija blizine gena za klasifikaciju tipova ćelija tačnija od analize samo ekspresije gena.
„Fizičke interakcije između molekula stvaraju život; stoga, fizičke lokacije i blizina ovih molekula igraju važnu ulogu“, rekao je Coskun. „Napravili smo intracelularni set alata subćelijskih mreža susedstva gena u različitim geografskim delovima svake ćelije da bismo ovo bliže pogledali.
Eksperiment se sastojao iz dva dela: razvoja računskih metoda i eksperimenata na laboratorijskoj klupi. Istraživači su ispitali objavljene skupove podataka i algoritam za grupisanje RNK molekula na osnovu njihove fizičke lokacije. Ovaj algoritam „najbližeg suseda“ pomogao je u određivanju grupa gena. Na klupi, istraživači su zatim označili molekule RNK fluorescentima kako bi ih lako locirali u pojedinačnim ćelijama. Zatim su otkrili mnoge karakteristike iz distribucije molekula RNK, kao što je to kako će geni verovatno biti na sličnim subćelijskim lokacijama.
Ćelijska terapija zahteva mnogo ćelija sa veoma sličnim fenotipovima, a ako postoje podtipovi nepoznatih ćelija u terapijskim ćelijama, istraživači ne mogu predvideti ponašanje ovih ćelija kada se jednom ubrizgaju u pacijente. Pomoću ovih alata može se identifikovati više ćelija istog tipa i mogu se izolovati različite podgrupe matičnih ćelija sa neuobičajenim genskim programima.
„Proširujemo set alata za subćelijsku prostornu organizaciju molekula — ‘švajcarski vojni nož’ za subćelijsku prostornu omiku, ako hoćete,“ rekao je Coskun. „Cilj je da se izmeri, kvantifikuje i modelira više nezavisnih, ali i međusobno povezanih molekularnih događaja u svakoj ćeliji sa višestrukim funkcijama. Krajnja svrha je da se definiše funkcija ćelije koja može da postigne visoku energiju, modularne mreže gena poput Lego-a i različite ćelijske Odluke.“
