صلب أم سائل أم غاز؟  بصمات بصرية تحدد بسرعة الحالة الفيزيائية للأنسجة وأورام السرطان
فك تشفير صور الخلية

طور باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا طريقة لفك تشفير صور الخلايا لتحديد ما إذا كان النسيج أشبه بمادة صلبة أو سائلة أو حتى غازية. قد تساعد “بصمات الأصابع” المرئية في التشخيص السريع للسرطانات المختلفة وتتبعها. الائتمان: خلية سرطان الثدي بقلم آن ويستون ، معهد فرانسيس كريك ، تم تحريره بواسطة أخبار معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا

يمكن أن تكون الطريقة طريقًا لتشخيص السرطان بشكل أسرع وأقل توغلًا.

مع نمو الكائن الحي ، يتغير الشعور به أيضًا. في المراحل الأولى ، يأخذ الجنين حالة شبه سائلة تسمح لخلاياه بالانقسام والتوسع. عندما تنضج ، تثبت أنسجتها وأعضائها في شكلها النهائي. في بعض الأنواع ، يمكن أن تكون هذه الحالة الفيزيائية للكائن الحي مؤشرًا لمرحلة نموه ، وحتى الحالة العامة لصحته.

الآن ، الباحثون في مع اكتشفوا أن الطريقة التي يتم بها ترتيب خلايا الأنسجة يمكن أن تكون بمثابة بصمة “لمرحلة” الأنسجة. لقد طوروا طريقة لفك تشفير صور الخلايا في الأنسجة لتحديد ما إذا كان هذا النسيج أشبه بمادة صلبة أو سائلة أو حتى غازية. تم الإبلاغ عن النتائج التي توصلوا إليها مؤخرًا في وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.

يأمل الفريق أن تساعد طريقتهم ، التي أطلقوا عليها اسم “البصمات التكوينية” ، العلماء على تتبع التغيرات الجسدية في الجنين أثناء تطوره. ويقومون على الفور بتطبيق طريقتهم في دراسة وتشخيص نوع معين من الأنسجة في نهاية المطاف: الأورام.

في السرطان ، كانت هناك أدلة تشير إلى أن الحالة الفيزيائية للورم ، مثل الجنين ، قد تشير إلى مرحلة نموه. قد تكون الأورام الأكثر صلابة مستقرة نسبيًا ، بينما قد تكون الأورام الشبيهة بالسوائل أكثر عرضة للتحور والانتشار.

يقوم باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بتحليل صور الأورام ، التي نمت في المختبر وأخذت خزعة من المرضى ، لتحديد بصمات الأصابع الخلوية التي تشير إلى ما إذا كان الورم أشبه بمادة صلبة أو سائلة أو غازية. إنهم يتصورون أن الأطباء يمكنهم يومًا ما مطابقة صورة خلايا الورم ببصمة إصبع خلوية لتحديد مرحلة الورم بسرعة ، وفي النهاية تطور السرطان.

يقول مينج جو ، الأستاذ المشارك في الهندسة الميكانيكية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: “إن طريقتنا ستسمح بتشخيص سهل جدًا لحالات السرطان ، وذلك ببساطة عن طريق فحص مواضع الخلايا في الخزعة”. “نأمل ، بمجرد النظر إلى مكان الخلايا ، أن يتمكن الأطباء من معرفة ما إذا كان الورم صلبًا جدًا ، مما يعني أنه لا يمكن أن ينتشر بعد ، أو ما إذا كان أكثر شبهاً بالسوائل ، والمريض في خطر.”

المؤلفون المشاركون في Guo هم Haiqian Yang ، و Yulong Han ، و Wenhui Tang ، و Rohan Abeyaratne من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، وأدريان بيجورارو من جامعة أوتاوا ، ودابنغ بي من جامعة نورث إيسترن.

ترتيب ثلاثي

في مادة صلبة مثالية ، يتم تكوين المكونات الفردية للمادة على شكل شبكة شبكية منظمة ، مثل الذرات في مكعب من الكريستال. إذا كنت ستقطع شريحة من البلورة وتضعها على طاولة ، فسترى أن الذرات مرتبة بحيث يمكنك توصيلها في نمط من المثلثات المتكررة. في مادة صلبة مثالية ، نظرًا لأن التباعد بين الذرات سيكون هو نفسه تمامًا ، فإن المثلثات التي تربط بينها ستكون عادةً متساوية الأضلاع في الشكل.

اتخذ Guo هذا البناء كقالب لهيكل صلب تمامًا ، مع فكرة أنه يمكن أن يكون بمثابة مرجع لمقارنة تكوينات الخلايا للأنسجة والأورام الفعلية الأقل صلابة تمامًا.

يقول قوه: “لا يتم ترتيب الأنسجة الحقيقية بشكل مثالي أبدًا”. “إنهم في الغالب مضطربون. لكن مع ذلك ، هناك اختلافات طفيفة في مدى اضطرابهم “.

باتباع هذه الفكرة ، بدأ الفريق بصور لأنواع مختلفة من الأنسجة واستخدم برنامجًا لرسم خرائط للوصلات المثلثية بين خلايا الأنسجة. على عكس المثلثات متساوية الأضلاع في صلب كامل ، أنتجت الخرائط مثلثات بأشكال وأحجام مختلفة ، تشير إلى خلايا ذات نطاق من الترتيب المكاني (والاضطراب).

لكل مثلث في الصورة ، قاموا بقياس معاملين أساسيين: الترتيب الحجمي ، أو المساحة داخل المثلث ؛ وترتيب القص ، أو إلى أي مدى يكون شكل المثلث من متساوي الأضلاع. تشير المعلمة الأولى إلى تذبذب كثافة المادة ، بينما توضح المعلمة الثانية مدى تعرض المادة للتشوه. ووجدوا أن هاتين المعلمتين كافيتان لوصف ما إذا كان النسيج أشبه بمادة صلبة أو سائلة أو غازية.

يوضح Guo قائلاً: “إننا نحسب القيمة الدقيقة لكل من المعلمتين بشكل مباشر ، مقارنةً بتلك الموجودة في مادة صلبة مثالية ، ونستخدم هذه القيم الدقيقة كبصمات أصابعنا”.

محلاق بخار

اختبر الفريق أسلوبه الجديد في أخذ البصمات في عدة سيناريوهات مختلفة. الأول كان محاكاة قاموا من خلالها بنمذجة خلط نوعين من الجزيئات ، زاد تركيزهما تدريجيًا. لكل تركيز ، قاموا بتعيين الجزيئات في مثلثات ، ثم قاسوا المعلمتين لكل مثلث. من خلال هذه القياسات ، قاموا بتمييز مرحلة الجزيئات وتمكنوا من إعادة إنتاج التحولات بين الغاز والسائل والصلب ، وهو ما كان متوقعًا.

يقول Guo: “يعرف الناس ما يمكن توقعه في هذا النظام البسيط للغاية ، وهذا ما نراه بالضبط”. “أظهر هذا قدرة طريقتنا.”

ثم واصل الباحثون تطبيق طريقتهم في أنظمة تحتوي على خلايا بدلاً من جزيئات. على سبيل المثال ، نظروا إلى مقاطع فيديو التقطها باحثون آخرون لجناح ذبابة الفاكهة المتنامي. بتطبيق طريقتهم ، تمكنوا من تحديد المناطق في الجناح النامي والتي تحولت من الحالة الصلبة إلى الحالة الأكثر مرونة.

يقول جو “كسائل ، قد يساعد هذا في النمو”. “كيف حدث ذلك بالضبط ما زال قيد التحقيق.”

كما قام هو وفريقه أيضًا بتنمية أورام صغيرة من خلايا أنسجة الثدي البشرية وراقبوا نمو الأورام مثل المحلاق الزائدة – وهي علامات على ورم خبيث مبكر. عندما رسموا خريطة لتكوين الخلايا في الأورام ، وجدوا أن الأورام غير الغازية تشبه شيئًا ما بين مادة صلبة وسائلة ، وكانت الأورام الغازية أكثر شبهاً بالغازات ، بينما أظهرت المحلاق حالة أكثر اضطرابًا.

يقول جو “الأورام الغازية كانت أشبه بالبخار ، وهم يريدون الانتشار والذهاب إلى كل مكان”. “السوائل بالكاد يمكن ضغطها. لكن الغازات قابلة للانضغاط – يمكن أن تنتفخ وتتقلص بسهولة ، وهذا ما نراه هنا “.

يعمل الفريق مع عينات من خزعات السرطان البشري ، والتي يقومون بتصويرها وتحليلها لصقل بصماتهم الخلوية. في النهاية ، يتصور Guo أن رسم خرائط لمراحل الأنسجة يمكن أن يكون طريقة سريعة وأقل توغلًا لتشخيص أنواع متعددة من السرطان.

يقول Guo: “يتعين على الأطباء عادةً أخذ خزعات ، ثم صبغها لعلامات مختلفة اعتمادًا على نوع السرطان ، للتشخيص”. “ربما في يوم من الأيام يمكننا استخدام أدوات بصرية للنظر داخل الجسم ، دون لمس المريض ، لمعرفة موضع الخلايا ، وتحديد مرحلة السرطان التي يمر بها المريض بشكل مباشر”

المرجع: “البصمات التكوينية للأنظمة الحية متعددة الخلايا” بقلم Haiqian Yang ، و Adrian F. Pegoraro ، و Yulong Han ، و Wenhui Tang ، و Rohan Abeyaratne ، و Dapeng Bi ، و Ming Guo ، 25 أكتوبر 2021 ، وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم.
DOI: 10.1073 / pnas.2109168118

تم دعم هذا البحث جزئيًا من قبل المعاهد الوطنية للصحة ، MathWorks ، وجائزة Jeptha H. and Emily V. Wade في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

التعليقات

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *