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Una fetta di vita in laboratorio
Il dottorando Colin Buss sperimenta una tecnica che potrebbe aiutare a tenere a freno un globulo bianco sovradimensionato. 22 agosto 2018
Colin Buss, un ricercatore laureato presso il Koch Institute for Integrative Cancer Research del MIT, afferma che non è troppo esagerato chiamare il BD LSRFortessa il suo migliore amico. Abbiamo trascorso molti sabati pomeriggio insieme, dice Buss del citometro a flusso, che viene utilizzato per contare e ordinare le cellule in una soluzione. Dopo aver posizionato una provetta di campioni cellulari sul dispositivo e un ugello metallico aspira il liquido, il macchinario separa le singole cellule e le analizza esponendole a una varietà di laser. Fortessa può sfornare mille cellule al secondo, risparmiando a ricercatori come Buss innumerevoli ore di scrutinio al microscopio. Non c'è da stupirsi che siano amici.
Anche quando utilizza tecniche all'avanguardia nel suo campo, Buss, come tanti degli altri 6.900 studenti laureati in tutto il campus, dedica lunghe ore al laboratorio svolgendo compiti apparentemente di routine. Ma il potenziale della sua ricerca è tutt'altro che banale. La tecnologia che sta testando esaminando tutte quelle cellule potrebbe portare a trattamenti migliori per la sepsi, una condizione in cui la reazione eccessiva del corpo a un'infezione danneggia i propri tessuti e organi. Ogni anno, circa 250.000 americani muoiono di sepsi, che si stima uccida più di cinque milioni di persone ogni anno in tutto il mondo.
Buss ha finito per fare amicizia con Fortessa al MIT dopo essere stato ispirato dal lavoro del professore di bioingegneria Sangeeta Bhatia, SM '93, PhD '97, che stava sviluppando diagnostica e terapie del cancro che facevano un uso frequente delle nanoparticelle come tecnologia di consegna. Buss aveva studiato ingegneria chimica alla Cornell e inizialmente aveva preso in considerazione l'idea di diventare un medico, ma si rese conto di essere più interessato alla ricerca medica. Sento di poter avere un impatto più ampio sviluppando una nuova tecnica terapeutica piuttosto che curare direttamente i pazienti, dice. Desideroso di aiutare a espandere la tecnologia delle nanoparticelle di Bhatia in nuove aree di applicazione, come il targeting delle cellule del sistema immunitario, si è unito al suo Laboratory for Multiscale Regenerative Technologies presso il Koch Institute cinque anni fa. La sua ricerca come studente di dottorato lo ha spinto ad attingere al suo ingegnere interiore, dice, per trovare una soluzione a una domanda davvero interessante.
La domanda che ora attira la sua attenzione è se la risposta naturale del sistema immunitario all'infezione può essere messa a punto con un po' di manipolazione genetica abilitata dalla nanotecnologia. Quindi oggi sta usando Fortessa per analizzare campioni di globuli bianchi che ha raccolto dai topi. La scorsa notte, diversi topi hanno inalato batteri presenti nell'aria, che hanno causato loro un'infezione in tre o quattro ore. Questa mattina presto, ha iniettato loro nanoparticelle contenenti piccoli RNA interferenti (siRNA). E se tutto è andato come previsto, dice Buss, l'introduzione di quel materiale genetico nel flusso sanguigno dovrebbe aiutare a regolare la risposta del loro sistema immunitario all'infezione.
Il dottorando Colin Buss una volta considerava di essere un medico, ma decise che avrebbe potuto aiutare più persone sviluppando terapie. Quindi è entrato a far parte del laboratorio di Sangeeta Bhatia per le tecnologie rigenerative multiscala per lavorare con lei sull'uso della somministrazione di farmaci a base di nanoparticelle per combattere le malattie infettive.
I corpi dei topi reagiscono alle infezioni allo stesso modo degli umani. Quando le cellule immunitarie che circolano costantemente nel flusso sanguigno rilevano la presenza di un intruso, come un virus, un batterio o un fungo, attivano la risposta immunitaria del corpo e reclutano molti plotoni di cellule difensori, comprese molte delle cinque varietà di cellule bianche. cellule del sangue: per unirsi a loro nel sito dell'infezione. Buss sta studiando i monociti, un tipo di globuli bianchi che spesso fanno il loro lavoro un po' troppo bene, reclutando troppe altre cellule e creando troppa infiammazione. Mentre una certa quantità di infiammazione localizzata nel sito di infezione è fondamentale per distruggere l'agente patogeno invasore, l'infiammazione prolungata e diffusa che si verifica nella sepsi può portare a danni e insufficienza d'organo. Con infezioni in organi sensibili come i polmoni e il cuore, la tua risposta immunitaria può voler lanciare tutto ciò che ha contro i batteri, dice Buss. Ma troppa infiammazione e poca concentrazione sulla regolazione del resto del tuo corpo possono effettivamente ucciderti prima che lo faccia l'infezione.
La tua risposta immunitaria può voler lanciare tutto ciò che ha contro i batteri. Ma troppa infiammazione... può effettivamente ucciderti prima che lo faccia l'infezione.
Le nanoparticelle che trasportano siRNA, progettate da Buss, hanno lo scopo di controllare quell'infiammazione. Un rivestimento molecolare ingegnerizzato li aiuta a sopravvivere alla nuotata attraverso il flusso sanguigno e consente loro di attraccare sulle membrane dei monociti per scaricare il loro carico. Il siRNA quindi scivola nel processo di replicazione del DNA delle cellule, bloccando la produzione di una proteina di segnalazione che funge da faro chimico per reclutare altri monociti nel sito di infezione. La sfida sta nell'assicurarsi che i fasci di siRNA non interferiscano con altre varietà di cellule immunitarie o chiudano completamente i monociti. Vogliamo ancora che i monociti reagiscano all'infezione, dice Buss. Semplicemente non vogliamo che reagiscano in modo eccessivo.
L'esperimento di oggi è progettato per verificare se le nanoparticelle hanno raggiunto la destinazione prevista. Quindi, dopo aver isolato i globuli bianchi dai campioni di sangue, li codifica a colori. Ogni tipo di globulo bianco ha una combinazione unica di recettori di superficie, banchine di carico utilizzate per legarsi e interagire con altre cellule. Buss etichetta le cellule con una varietà di coloranti progettati per attaccarsi solo a un recettore specifico, che gli consente di ordinarli per tipo di cellula. (I monociti, ad esempio, emetteranno luce blu, bianca e gialla a Fortessa.) Buss ha anche tinto di rosa le sue nanoparticelle. Quindi, se la consegna ha avuto successo, anche i monociti dovrebbero brillare di rosa quando li fa passare attraverso i laser di Fortessa. E contando il numero di altri globuli bianchi che emettono rosa, Buss sarà in grado di determinare quanti pacchi siRNA non intenzionali hanno ricevuto.
Per codificare a colori i globuli bianchi, Buss usa una propipette, uno strumento che sembra una pistola per colla a caldo, per dispensare il colorante nelle sue soluzioni. I suoi movimenti sono ritmici: infilare la propipette in una nuova punta sterile, aspirare la soluzione, erogare la soluzione, inserire la punta usata in un secchio per rifiuti organici e ripetere. La creazione di dozzine di campioni, inclusi i campioni di controllo per calibrare correttamente Fortessa, è un lavoro ripetitivo, ma Buss dice di aver trovato il suo ritmo.
Nei suoi anni di lavoro in laboratorio, dice Buss, ha visto la crescente promessa di minuscole tecnologie per creare effetti più precisi e sintonizzabili nei processi biologici degli esseri viventi. Tecnologie come il siRNA nelle nanoparticelle consentono ai ricercatori di concentrarsi su un comportamento in un gruppo specifico di cellule, un'accuratezza che è stata a lungo fuori portata nelle terapie farmacologiche per il cancro e le malattie infettive. Le terapie siRNA ci danno la capacità di controllare le cellule a livello di singoli geni, qualcosa che tradizionalmente è stato difficile con i farmaci a piccole molecole, dice. Ecco perché molti farmaci hanno molteplici effetti collaterali negativi.
Buss spera che i suoi esperimenti sulle nanoparticelle, compreso il lavoro precedente in cui ha preso di mira le cellule tumorali, siano il suo progetto di tesi. La più grande differenza tra il lavoro sul cancro e il lavoro sulle malattie infettive è la scala temporale, dice. Con il cancro, inoculi i topi e lavori nel corso di un mese. Con le malattie infettive, tutto deve accadere in 24 ore.
Con il ticchettio del tempo del suo esperimento siRNA, Buss porta i suoi campioni colorati giù per tre rampe di scale in una scatola di ghiaccio di polistirolo per farli scorrere attraverso Fortessa. Mentre i globuli bianchi scorrono attraverso il labirinto di laser all'interno, piccoli punti iniziano ad apparire in un grafico a dispersione sul monitor. Si sporge in avanti ed esamina i numerosi appezzamenti mentre le cellule iniziano a raggrupparsi.
Lo vedi? dice, sfogliando tra le trame di blu, bianco e giallo - i colori della tintura corrispondenti ai recettori sui monociti - e la trama corrispondente al tag rosa sui pacchetti di siRNA. I punti sono raggruppati nello stesso punto su tutti loro, il che significa che i suoi pacchi hanno trovato i monociti e scaricato il loro carico. Dovrà esaminare i risultati per gli altri tipi di globuli bianchi per vedere se anche loro hanno ricevuto i pacchetti di siRNA. E ci aspettano centinaia di ripetizioni di questo stesso esperimento. Ma per ora, osserva il grafico a dispersione dicendogli che le sue nanoparticelle hanno trovato il loro obiettivo. Quello è bellissimo, dice.