ננוטכנולוגיה בסרטן: ננוחלקיקים לשיטת מדידה חדשה

ננוטכנולוגיה בסרטן: רתימת ננו חלקיקים כדי לעקוב אחר שינויים בתאים סרטניים

 

הישראלים שלנו עושים חייל. ד”ר קתרין שחף Catherine Shachaf סימה דוקטורט מחקרי ברפואה מולקולארית ב-2001 בטכניון והיום היא מצליחה כפוסט דוקטורנטית בבית הספר לרפואה בסטנפורד בקליפורניה. ברצוני לספר לכם על תגלית שד”ר שחף בצעה יחד עם קבוצתה בתחום הסרטן עתה: בתחום שנקרא “ננוטכנולוגיה בסרטן”.

בהצהרה לתקשורת נאמר, שככל שיש יותר נקודות, כך התמונה שמקבלים כאשר מחברים ביניהן היא מדויקת יותר. חוקרי הסרטן אמצו פילוסופיה זו ופתחו טכנולוגית דימות ומדידה חדשה שיכולה לתת למדענים את היכולת למדוד בו-זמנית פי 100 ואף יותר מאפיינים מרוחקים בתוך או מעל גבי תא בודד. במחלה כמו סרטן, יכולת זו תספק תמונה טובה הרבה יותר למה שמתרחש בתאי גידול נפרדים.

קבוצה מבית הספר לרפואה אשר באוניברסיטת סטנפורד, מהמרכז למצוינות בננוטכנולוגיה וסרטן ממוקד בתגובה לתרפיה, כאשר בראשה עומדת הדוקטור קתי שחף מישראל, לראשונה השתמשה בננוחלקיקים שתוכננו במיוחד על ידי אינטל, כך שהם הכילו צבע. וכל זאת במטרה להשתמש בהם להדמיה בו-זמנית של שני מאפיינים בתוך תאים בודדים.

הטכנולוגיות העכשוויות כיום למדידה ולאפיון תאים ומרכיביהם מה שקרוי “ציטומטריה של זרימה חד-תאית” יכולות לספק עד ל-17 ויזואליזציות בו-זמניות. אם כי הציטומטר הוא לא בדיוק מיקורסקופ במובן שמספק דימות, אלא הוא מחובר למחשב שאליו מוזרמים הנתונים. חרף זאת, לשיטה החדשה של הקבוצה מסטנפורד יש את הפוטנציאל להגביר תבניות מאוד חלשות שקרויות סגינלי ראמן (פירוט בהמשך).

במחקר שהתפרסם בכתב העת באינטרנט – PLoS ONE הקבוצה מסטנפורד דווחה על הניסויים, שבהם היא הייתה מסוגלת בו-זמנית לנתר שינויים בשני חלבונים בין-תאיים, שלהם תפקיד מכריע בהתפתחות הסרטן.

פיתוח מוצלח של הטכניקה החדשה יכול לשפר לא רק את היכולת של המדענים לאבחן סרטנים זאת למשל, על ידי קביעת המידה של האגרסיביות של התאים המרכיבים את הגידול אלא גם לבסוף להפריד בין תאים חיים לתאים סרטניים שעברו ביופסיה. עושים את זה על בסיס המאפיינים שמצביעים על דרגת ההתקדמות שלהם, או על בסיס רמת ההתנגדות שלהם לתרופות כימותרפיות. זה יחיש את הבדיקה של טיפולים שמטרתם לתקוף את התאים העקשניים ביותר, אומרת ד”ר שחף, חוקרת סרטן, פוסט דוקית, שעובדת במעבדתו של החוקר הבכיר ד”ר גרי פ. נולן.

סרטן מתחיל בתא בודד, והתפתחותו לרוב מתבשרת על יד שינויים ברמות האקטיבציה בחלבונים מסוימים. בעולם ביולוגית התא, דרך נפוצה אחת לחלבונים להיהפך לפעילים היא באמצעות תהליך שקרוי “פוספוריליציה”. תהליך זה מעט משנה את צורת החלבון על ידי ההוספה של קבוצת פוספט לחלבון. לשני חלבונים תוך תאיים stat1 ו-stat6 תפקידים מכריעים בהתפתחות הסרטן (מערכת חלבוני ה-stat

).Signal Transducers and Activator of Transcription

הקבוצה מסטנפורד הצליחה בו-זמנית לנתר שינויים ברמות הפוספוריליציה של שני החלבונים בתרבית מעבדה של מח עצם של תאי לוקמיה. השינויים ב-stat1 וב-stat6 היו מאוד דומים לאלו שהודגמו כבר בעזרת טכניקות הדמיה קיימות, וזה היווה הוכחת עקרון לשיטת הדימות החדשה.

למרות שהשתמשו בטכנולוגיה החדשה עד כה למבט בתאים על סליידים בלבד, השיטה יכולה לשמש בסוף באותו האופן כמו ציטומטריה של זרימה, הטכנולוגיה החדישה ביותר כיום. טכנולוגיה זו מאפשרת למדענים לבחון תאים בודדים בתנועה. בציטומטריה של זרימה, התאים מופצצים בלייזר אור בעודם חולפים דרך תא סריקה. או אז ניתן לבחון את התאים ועל בסיס המאפיינים שלהם ניתן למיינם ולנתבם ליעדים שונים בתוך הציטומטר.

עדיין ציטומטרית הזרימה היא מוגבלת. יש צורך במולוקולות צבע פלואורסצנטיות שנצמדות לנוגדים, כאשר צבעים שונים קשורים לנוגדנים שפוגעים במולקלות שונות. מולקולות הצבע מגיבות לאור הליזר על ידי היותן פלואורסצנטיות –  והן מהדהדות באור בדיוק באותו אורך גל, או צבע, שבו הם עוררו. עוצמת הפלואורסצנטיות מצביעה על מספר המאפיינים מסוג מסוים של פני משטח התא הנמצאים שם, שאליהם עתה הצבעים מחוברים. אבל הבעיה היא, שסיגנלי האור שנמסרים על ידי ריבוי צבעים, מתחילים להפריע זה לזה. ומסיבה זו בדיוק, מספר המאפיינים הנפרדים שציטומטרית זרימה יכולה למדוד בו-זמנית הם בדרך כלל 20.

במה יכולה הננוטכנולוגיה לשפר כאן את יכולת המדידה והדימות?

הטכנולוגיה החדשה, שמכילה ננוחלקיקים מכילי צבע ופותחה על ידי הקבוצה מסטנפורד צועדת צעד אחד קדימה. הננוחלקיקים לא רק שפולטים הדהודים פלואורסצנטיים באורך גל יחיד, אלא גם תביעות אצבע יותר מסובכות, שהן מורכבות מאורכי גל שהם מעט שונים מהקרניים בעלי הצבע היחיד שאותם פולטים הלייזרים. תבניות אלה, שקרויות סיגנלי ראמן, מופיעות כאשר רמות האנרגיה של האלקטרונים בקושי משתנות בגלל אינטראקציות חלשות בין האטומים המרכיבים את המולקולה הנצפית. מדובר בתחום מחקר שקרוי “פיזור ראמן”.

סיגנלי ראמן נפלטים כל הזמן על ידי מולקולות שונות, אבל בדרך כלל הם יותר מידי חלשים מכדי שנגלה אותם. כדי לחזקם, הקבוצה מסטנפורד השתמשה בננוחלקיקים המיוחדים שאותם יצרה עבורם במיוחד חברת אינטל. כל ננוחלקיק הוא בעל חתימתו המיוחדת. אינטל תכננה יותר ממאה ננוחלקיקים מורכבים אורגניים-לא אורגניים, שהיא קראה להם COIN – זה פשוט ראשי התיבות של: composite organic-inorganic nanoparticles. הננוחלקיקים האלה הם למעשה “כריכים” של מולקולות צבע ואטומי מתכת כמו כסף, זהב או נחושת, בעלי תכונות החזרה שמגבירות את סיגנלי הראמן של מולקולות הצבע. זאת בעוד שהן מסננות את התגובה הפלואורסצנטית האינהרנטית. הסיגנלים אז נאספים ומכומתים על ידי מיקרוסקופ אוטומטי מותאם.

בלעז המחקר לכן נקרא: 

surface enhanced Raman scattering (SERS) nanoparticles for the detection of intracellular phosphorylation events

ד”ר שחף מנבאת שניתן יהיה להדגים את הויזואליזציה הבו-זמנית של 9 עד 10 מאפיינים מסומנים על ידי ננוחלקיקיי COIN בעתיד הקרוב, והיא מקווה להעלות מספר זה לבין 20 ל-30, מספר גבוה חדש. היא מוסיפה ש”יכולת הטכנולוגיה יכולה מהר מאוד לעבור מספר זה”. יום אחד ניתן יהיה להשתמש בה ליותר מ-100 מאפיינים.

המאמר:Research Article

A Novel Method for Detection of Phosphorylation in Single Cells by Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) using Composite Organic-Inorganic Nanoparticles (COINs)

Catherine M. Shachaf1,2, Sailaja V. Elchuri1,2, Ai Leen Koh3, Jing Zhu4, Lienchi N. Nguyen4, Dennis J. Mitchell1,2, Jingwu Zhang4, Kenneth B. Swartz4, Lei Sun4, Selena Chan4, Robert Sinclair3, Garry P. Nolan1,2*

1 Department of Microbiology & Immunology, Stanford University, Stanford, California,  United States of America, 2 The Baxter Laboratory in Genetic Pharmacology, Stanford University, Stanford, California, United States of America, 3 Materials Science and Engineering, Stanford University, Stanford, California, United States of America, 4 Biomedical/Life Sciences, Digital Health Group, Intel Corporation, Santa Clara, California, United States of America

Abstract Top

Background

Detection of single cell epitopes has been a mainstay of immunophenotyping for over three decades, primarily using fluorescence techniques for quantitation. Fluorescence has broad overlapping spectra, limiting multiplexing abilities.

Methodology/Principal Findings

To expand upon current detection systems, we developed a novel method for multi-color immuno-detection in single cells using “Composite Organic-Inorganic Nanoparticles” (COINs) Raman nanoparticles. COINs are Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS) nanoparticles, with unique Raman spectra. To measure Raman spectra in single cells, we constructed an automated, compact, low noise and sensitive Raman microscopy device (Integrated Raman BioAnalyzer). Using this technology, we detected proteins expressed on the surface in single cells that distinguish T-cells among human blood cells. Finally, we measured intracellular phosphorylation of Stat1 (Y701) and Stat6 (Y641), with results comparable to flow cytometry.

Conclusions/Significance

Thus we have demonstrated the practicality of applying COIN nanoparticles for measuring intracellular phosphorylation, offering new possibilities to expand on the current fluorescent technology used for immunoassays in single cells.

 

 

Advertisements

0 thoughts on “ננוטכנולוגיה בסרטן: ננוחלקיקים לשיטת מדידה חדשה

  1. לד”ר שחף על עבודתה הגאונית והמופלאה
    ולך, גלי – על שכתבת על זה. גם אם הרבה מהנתונים לא הובנו… הבנתי שזו גאונות שרוב בני האדם אינם ניחנים בה

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s