211service.com
Een stukje lableven
Afstudeerder Colin Buss experimenteert met een techniek die kan helpen een overpresterende witte bloedcel in bedwang te houden. 22 augustus 2018
Colin Buss, een afgestudeerde onderzoeker aan het Koch Institute for Integrative Cancer Research van het MIT, zegt dat het niet overdreven is om de BD LSRFortessa zijn beste vriend te noemen. We hebben heel wat zaterdagmiddagen samen doorgebracht, zegt Buss over de flowcytometer, die wordt gebruikt voor het tellen en sorteren van cellen in een oplossing. Nadat hij een buis met celmonsters op het apparaat heeft geplaatst en een metalen mondstuk de vloeistof naar binnen zuigt, scheidt de machine de afzonderlijke cellen en analyseert ze door ze bloot te stellen aan verschillende lasers. Fortessa kan door duizend cellen per seconde karnen, wat onderzoekers als Buss talloze uren bespaart door in een microscoop te kijken. Geen wonder dat ze vrienden zijn.
Zelfs bij het gebruik van technieken op het snijvlak van zijn vakgebied, maakt Buss, net als zoveel van de 6.900 andere afstudeerders op de campus, lange uren in het laboratorium om schijnbaar routinematige taken uit te voeren. Maar het potentieel van zijn onderzoek is verre van alledaags. De technologie die hij test door al die cellen te onderzoeken, zou kunnen leiden tot betere behandelingen voor sepsis, een aandoening waarbij de overdreven reactie van het lichaam op een infectie zijn eigen weefsels en organen beschadigt. Elk jaar sterven zo'n 250.000 Amerikanen aan sepsis, waaraan naar schatting jaarlijks meer dan vijf miljoen mensen overlijden.
Buss raakte bevriend met Fortessa aan het MIT nadat hij was geïnspireerd door het werk van professor bio-engineering Sangeeta Bhatia, SM '93, PhD '97, die kankerdiagnostiek en therapieën ontwikkelde die veelvuldig gebruik maakten van nanodeeltjes als leveringstechnologie. Buss had chemische technologie gestudeerd aan Cornell en overwoog aanvankelijk om arts te worden, maar hij realiseerde zich dat hij meer geïnteresseerd was in medisch onderzoek. Ik heb het gevoel dat ik een grotere impact kan hebben door een nieuwe therapeutische techniek te ontwikkelen in plaats van patiënten rechtstreeks te behandelen, zegt hij. Omdat hij graag wilde helpen Bhatia's nanodeeltjestechnologie uit te breiden naar nieuwe toepassingsgebieden, zoals het richten op cellen van het immuunsysteem, trad hij vijf jaar geleden toe tot haar Laboratory for Multiscale Regenerative Technologies aan het Koch Institute. Zijn onderzoek daar als promovendus heeft hem ertoe aangezet om zijn innerlijke ingenieur aan te boren, zegt hij, om een oplossing te bedenken voor een heel interessante vraag.
De vraag die nu zijn aandacht heeft, is of de natuurlijke reactie van het immuunsysteem op infectie kan worden verfijnd met een beetje nanotech-enabled genmanipulatie. Dus gebruikt hij vandaag Fortessa om monsters van witte bloedcellen te analyseren die hij van muizen heeft verzameld. Gisteravond liet hij verschillende muizen in de lucht zwevende bacteriën inademen, waardoor ze binnen drie tot vier uur een infectie ontwikkelden. Vanmorgen vroeg injecteerde hij ze met nanodeeltjes die klein interfererend RNA (siRNA) bevatten. En als alles volgens plan verliep, zegt Buss, zou de introductie van dat genetisch materiaal in hun bloedbaan de reactie van hun immuunsysteem op de infectie moeten helpen reguleren.
Promovendus Colin Buss overwoog ooit om arts te worden, maar besloot dat hij meer mensen kon helpen door therapieën te ontwikkelen. Dus sloot hij zich aan bij Sangeeta Bhatia's Lab for Multiscale Regenerative Technologies om met haar te werken aan het gebruik van op nanodeeltjes gebaseerde medicijnafgifte om infectieziekten te bestrijden.
Het lichaam van muizen reageert op dezelfde manier op infecties als dat van mensen. Wanneer de immuuncellen die constant in de bloedbaan circuleren de aanwezigheid van een indringer detecteren, zoals een virus, bacterie of schimmel, schakelen ze de immuunrespons van het lichaam in een versnelling en rekruteren veel pelotons van verdedigerscellen - waaronder enkele van de vijf soorten witte bloedcellen - om ze samen te voegen op de plaats van de infectie. Buss bestudeert monocyten, een soort witte bloedcellen die hun werk vaak iets te goed doen, te veel andere cellen rekruteren en te veel ontstekingen veroorzaken. Hoewel een zekere mate van plaatselijke ontsteking op de infectieplaats cruciaal is om de binnendringende ziekteverwekker te vernietigen, kan de langdurige en wijdverbreide ontsteking die optreedt bij sepsis leiden tot orgaanschade en falen. Met infecties in gevoelige organen zoals de longen en het hart, kan je immuunrespons alles naar de bacteriën willen gooien, zegt Buss. Maar te veel ontstekingen en te weinig focus op het reguleren van de rest van je lichaam kan je zelfs doden voordat de infectie dat doet.
Je immuunrespons kan alles naar de bacteriën willen gooien. Maar te veel ontsteking ... kan je zelfs doden voordat de infectie dat doet.
De siRNA-dragende nanodeeltjes, die Buss heeft ontworpen, zijn bedoeld om die ontsteking onder controle te houden. Een geconstrueerde moleculaire coating helpt hen de zwemtocht door de bloedbaan te overleven en stelt hen in staat om aan te meren op de membranen van de monocyten om hun lading te lossen. Het siRNA glijdt vervolgens in het DNA-replicatieproces van de cellen en blokkeert de productie van een signaaleiwit dat fungeert als een chemische vuurtoren om andere monocyten naar de infectieplaats te rekruteren. De uitdaging ligt in het ervoor zorgen dat de bundels siRNA niet interfereren met andere soorten immuuncellen of de monocyten volledig afsluiten. We willen nog steeds dat de monocyten op de infectie reageren, zegt Buss. We willen gewoon niet dat ze overdreven reageren.
Het experiment van vandaag is bedoeld om te testen of de nanodeeltjes hun beoogde bestemming hebben bereikt. Dus nadat hij de witte bloedcellen uit de bloedmonsters heeft geïsoleerd, geeft hij ze een kleurcode. Elke soort witte bloedcel heeft een unieke combinatie van oppervlaktereceptoren, laaddocks die worden gebruikt om andere cellen te binden en ermee in wisselwerking te staan. Buss labelt de cellen met een verscheidenheid aan kleurstoffen die zijn ontworpen om alleen aan een specifieke receptor te hechten, waardoor hij ze op celtype kan sorteren. (Monocyten zullen bijvoorbeeld blauw, wit en geel licht uitstralen in Fortessa.) Buss heeft zijn nanodeeltjes ook roze geverfd. Dus als de bevalling is gelukt, moeten de monocyten ook roze gloeien als hij ze door Fortessa's lasers haalt. En door het aantal andere witte bloedcellen te tellen die ook roze uitzenden, kan Buss bepalen hoeveel onbedoelde siRNA-pakketten zijn ontvangen.
Om de witte bloedcellen van een kleurcode te voorzien, gebruikt Buss een propipette, een instrument dat eruitziet als een heetlijmpistool, om kleurstof in zijn oplossingen te doseren. Zijn bewegingen zijn ritmisch: steek de propipette in een nieuwe steriele punt, zuig de oplossing op, verdeel de oplossing, veeg de gebruikte punt in een emmer voor biologisch afval en herhaal. Het maken van tientallen samples - inclusief controlesamples om Fortessa goed te kalibreren - is repetitief werk, maar Buss zegt dat hij zijn draai gevonden heeft.
In zijn jaren dat hij in het laboratorium werkte, zegt Buss, heeft hij de groeiende belofte gezien van kleine technologieën om preciezere en afstembare effecten te creëren in de biologische processen van levende wezens. Technologieën zoals siRNA in nanodeeltjes stellen onderzoekers in staat om zich te concentreren op één gedrag in één specifieke groep cellen, nauwkeurigheid die lange tijd buiten bereik was in medicamenteuze therapieën voor kanker en infectieziekten. siRNA-therapieën geven ons de mogelijkheid om cellen te controleren op het niveau van individuele genen - iets dat traditioneel moeilijk was met medicijnen met kleine moleculen, zegt hij. Vandaar dat veel medicijnen meerdere nadelige bijwerkingen hebben.
Buss hoopt dat zijn experimenten met nanodeeltjes, inclusief eerder werk waarin hij zich op kankercellen richtte, zijn afstudeerproject zullen zijn. Het grootste verschil tussen kankerwerk en infectieziektewerk is de tijdschaal, zegt hij. Bij kanker ent je de muizen en werk je in de loop van een maand. Bij infectieziekten moet alles in 24 uur gebeuren.
Terwijl de klok tikt op zijn siRNA-experiment, draagt Buss zijn geverfde monsters drie trappen naar beneden in een doos met ijs van piepschuim om ze door Fortessa te leiden. Terwijl de witte bloedcellen door het doolhof van lasers binnenin tuffen, verschijnen er kleine puntjes in een spreidingsdiagram op de monitor. Hij leunt naar voren en bekijkt de vele plots terwijl de cellen beginnen te clusteren.
Zie je dat? zegt hij, bladerend tussen de grafieken van blauw, wit en geel - de kleurstofkleuren die overeenkomen met de receptoren op de monocyten - en de grafiek die overeenkomt met het roze label op de siRNA-pakketjes. De stippen clusteren allemaal op dezelfde plaats, wat betekent dat zijn pakketten de monocyten hebben gevonden en hun lading hebben gelost. Hij zal de resultaten van de andere soorten witte bloedcellen moeten onderzoeken om te zien of ook zij de siRNA-pakketten hebben ontvangen. En honderden herhalingen van hetzelfde experiment liggen in het verschiet. Maar voorlopig staart hij naar het spreidingsdiagram en vertelt hem dat zijn nanodeeltjes hun doel hebben gevonden. Die is mooi, zegt hij.