211service.com
Et udsnit af laboratorielivet
Gradstuderende Colin Buss eksperimenterer med en teknik, der kan hjælpe med at tøjle en overpræsterende hvide blodlegeme. 22. august 2018
Colin Buss, en kandidatforsker ved MIT's Koch Institute for Integrative Cancer Research, siger, at det ikke er for meget af en overdrivelse at kalde BD LSRFortessa for sin bedste ven. Vi har brugt mange en lørdag eftermiddag sammen, fortæller Buss om flowcytometeret, som bruges til at tælle og sortere celler i en opløsning. Efter at han har placeret et rør med celleprøver på enheden, og en metaldyse suger væsken ind, adskiller maskineriet de individuelle celler og analyserer dem ved at udsætte dem for en række lasere. Fortessa kan cirkulere gennem tusinde celler i sekundet, hvilket sparer forskere som Buss for utallige timers kig ind i et mikroskop. Ikke underligt, at de er venner.
Selv når han bruger teknikker på forkant med sit felt, lægger Buss, som så mange af de 6.900 andre kandidatstuderende på tværs af campus, lange timer i laboratoriet med at udføre tilsyneladende rutinemæssige opgaver. Men potentialet i hans forskning er langt fra banalt. Den teknologi, han tester ved at undersøge alle disse celler, kan føre til bedre behandlinger for sepsis, en tilstand, hvor kroppens overreaktion på en infektion beskadiger dets egne væv og organer. Hvert år dør omkring 250.000 amerikanere af sepsis, som anslås at dræbe mere end fem millioner mennesker årligt på verdensplan.
Buss endte med at blive ven med Fortessa på MIT efter at være blevet inspireret af arbejdet fra bioingeniørprofessor Sangeeta Bhatia, SM '93, PhD '97, som udviklede cancerdiagnostik og -terapi, der gjorde hyppig brug af nanopartikler som leveringsteknologi. Buss havde studeret kemiingeniør hos Cornell og overvejede først at blive læge, men han indså, at han var mere interesseret i medicinsk forskning. Jeg føler, at jeg kan få en større bredde i at udvikle en ny terapeutisk teknik frem for at behandle patienter direkte, siger han. Han var ivrig efter at hjælpe med at udvide Bhatias nanopartikelteknologi til nye anvendelsesområder, som at målrette mod celler i immunsystemet, og han sluttede sig til hendes Laboratory for Multiscale Regenerative Technologies på Koch Institute for fem år siden. Hans forskning der som ph.d.-studerende har skubbet ham til at benytte sig af sin indre ingeniør, siger han, for at komme med en løsning på et virkelig interessant spørgsmål.
Spørgsmålet, der nu har hans opmærksomhed, er, om immunsystemets naturlige reaktion på infektion kan finjusteres med en smule nanoteknologiaktiveret genmanipulation. Så i dag bruger han Fortessa til at analysere prøver af hvide blodlegemer, han har indsamlet fra mus. I nat fik han flere mus til at indånde luftbårne bakterier, som fik dem til at udvikle en infektion på tre til fire timer. Tidligt i morges injicerede han dem med nanopartikler indeholdende små interfererende RNA (siRNA). Og hvis alt gik som planlagt, siger Buss, der introducerer det genetiske materiale i deres blodbane, skal hjælpe med at regulere deres immunsystems reaktion på infektionen.
Doktorgradskandidat Colin Buss overvejede engang at blive læge, men besluttede, at han kunne hjælpe flere mennesker ved at udvikle terapier. Så han sluttede sig til Sangeeta Bhatias Lab for Multiscale Regenerative Technologies for at arbejde sammen med hende om at bruge nanopartikel-baseret lægemiddellevering til at bekæmpe infektionssygdomme.
Musens kroppe reagerer på infektioner på samme måde som mennesker gør. Når immuncellerne konstant cirkulerer i blodbanen registrerer tilstedeværelsen af en ubuden gæst, såsom en virus, bakterier eller svamp, sparker de kroppens immunrespons i gear og rekrutterer mange delinger af forsvarsceller – inklusive flere af de fem varianter af hvidt. blodceller - at slutte sig til dem på infektionsstedet. Buss studerer monocytter, en type hvide blodlegemer, der ofte gør deres arbejde lidt for godt, rekrutterer for mange andre celler og skaber for meget betændelse. Mens en vis mængde lokaliseret betændelse på infektionsstedet er afgørende for at ødelægge det invaderende patogen, kan den langvarige og udbredte inflammation, der opstår ved sepsis, føre til organskader og -svigt. Med infektioner i følsomme organer som lunger og hjerte, kan dit immunrespons ville kaste alt, hvad det har på bakterierne, siger Buss. Men for meget betændelse og for lidt fokus på at regulere resten af din krop kan faktisk slå dig ihjel, før infektionen gør det.
Dit immunrespons kan ønske at kaste alt, hvad det har, mod bakterierne. Men for meget betændelse ... kan faktisk dræbe dig, før infektionen gør det.
De siRNA-bærende nanopartikler, som Buss har designet, er beregnet til at kontrollere denne inflammation. En konstrueret molekylær belægning hjælper dem med at overleve svømmeturen gennem blodbanen og giver dem mulighed for at docke på monocytternes membraner for at losse deres last. SiRNA'et glider derefter ind i cellernes DNA-replikationsproces og blokerer produktionen af et signalprotein, der fungerer som et kemisk fyrtårn til at rekruttere andre monocytter til infektionsstedet. Udfordringen ligger i at sikre, at bundterne af siRNA ikke forstyrrer andre varianter af immunceller eller lukker monocytter fuldstændigt. Vi vil stadig gerne have, at monocyterne reagerer på infektionen, siger Buss. Vi vil bare ikke have, at de overreagerer.
Dagens eksperiment er designet til at teste, om nanopartiklerne nåede deres tilsigtede destination. Så efter at have isoleret de hvide blodlegemer fra blodprøverne, farvekoder han dem. Hver form for hvide blodlegemer har en unik kombination af overfladereceptorer, ladningsdokker, der bruges til at binde og interagere med andre celler. Buss mærker cellerne med en række farvestoffer designet til kun at binde sig til en specifik receptor, hvilket giver ham mulighed for at sortere dem efter celletype. (Monocytter vil f.eks. udsende blåt, hvidt og gult lys i Fortessa.) Buss har også farvet sine nanopartikler lyserøde. Så hvis leveringen lykkedes, skulle monocytter også lyse lyserøde, når han kører dem gennem Fortessas lasere. Og ved at tælle antallet af andre hvide blodlegemer, der også udsender lyserøde, vil Buss være i stand til at bestemme, hvor mange der modtog utilsigtede siRNA-pakker.
Til at farvekode de hvide blodlegemer bruger Buss en propipette, et instrument, der ligner en varmlimpistol, til at dispensere farvestof i sine opløsninger. Hans bevægelser er rytmiske – stik propipetten ind i en ny steril spids, sug opløsningen op, dispenser opløsningen, smid den brugte spids ned i en spand med bioaffald og gentag. At skabe snesevis af prøver - inklusive kontrolprøver for at kalibrere Fortessa korrekt - er gentaget arbejde, men Buss siger, at han har fundet sin rille.
I sine år med at arbejde i laboratoriet, siger Buss, har han set det voksende løfte om bittesmå teknologier til at skabe mere præcise og justerbare effekter i levende tings biologiske processer. Teknologier som siRNA i nanopartikler giver forskerne mulighed for at finde ud af én adfærd i en bestemt gruppe af celler, nøjagtighed, der længe har været uden for rækkevidde i lægemiddelbehandlinger mod kræft og infektionssygdomme. siRNA-terapi giver os evnen til at kontrollere celler på niveau med individuelle gener - noget, der traditionelt har været svært med småmolekylære lægemidler, siger han. Derfor har mange lægemidler flere negative bivirkninger.
Buss håber, at hans nanopartikeleksperimenter, herunder tidligere arbejde, hvor han målrettede kræftceller, bliver hans afhandlingsprojekt. Den største forskel mellem kræftarbejde og infektionssygdomme er tidsskalaen, siger han. Med kræft inokulerer du musene og arbejder i løbet af en måned. Med infektionssygdomme skal alt ske på 24 timer.
Mens uret tikker på sit siRNA-eksperiment, bærer Buss sine farvede prøver ned ad tre trapper i en Styrofoam-kasse med is for at køre dem gennem Fortessa. Mens de hvide blodlegemer tøffer gennem labyrinten af lasere indeni, begynder der at dukke små prikker op i et spredningsplot på skærmen. Han læner sig frem og undersøger de mange plots, mens cellerne begynder at klynge sig sammen.
Kan du se det? siger han og bladrer mellem plotterne af blå, hvid og gul - farvestoffarverne, der svarer til receptorerne på monocytterne - og plottet, der svarer til det lyserøde mærke på siRNA-pakkerne. Prikkerne samler sig på det samme sted på dem alle, hvilket betyder, at hans pakker fandt monocytter og lossede deres last. Han skal undersøge resultaterne for de andre hvide blodlegemer for at se, om de også har modtaget siRNA-pakkerne. Og hundredvis af gentagelser af det samme eksperiment ligger forude. Men indtil videre stirrer han på spredningsplottet, der fortæller ham, at hans nanopartikler fandt deres mål. Den er smuk, siger han.