הגדרה מחדש של ביולוגיה של התא: תובנות גנטיות לא הרסניות עם ספקטרוסקופיה של ראמאן

חדש MITשיטה שפותחה משלבת ספקטרוסקופיה ראמאן עם למידת מכונה לעקוב באופן לא פולשני אחר ביטוי גנים בתאים לאורך זמן. טכניקה זו מאפשרת מחקר מפורט של התמיינות תאית ויש לה יישומים פוטנציאליים בחקר הסרטן, ביולוגיה התפתחותית ואבחון.

רצף של כל RNA בתא יכול לחשוף מידע רב על התפקוד של אותו תא ומה הוא עושה בנקודת זמן נתונה. עם זאת, תהליך הרצף הורס את התא, מה שמקשה על חקר השינויים המתמשכים בביטוי הגנים.

גישה חלופית שפותחה ב-MIT יכולה לאפשר לחוקרים לעקוב אחר שינויים כאלה לאורך תקופות זמן ממושכות. השיטה החדשה, המבוססת על טכניקת הדמיה לא פולשנית המכונה ספקטרוסקופיה ראמאן, אינה פוגעת בתאים וניתנת לביצוע שוב ושוב.

באמצעות טכניקה זו, החוקרים הראו שהם יכולים לנטר תאי גזע עובריים כשהם מתמיינים למספר סוגי תאים אחרים במשך מספר ימים. טכניקה זו יכולה לאפשר מחקרים של תהליכים תאיים ארוכי טווח כמו התקדמות סרטן או התפתחות עוברית, ויום אחד עשויה לשמש לאבחון של סרטן ומחלות אחרות.

"עם הדמיית ראמאן, אתה יכול למדוד הרבה יותר נקודות זמן, שעשויות להיות חשובות ללימוד ביולוגיה של סרטן, ביולוגיה התפתחותית ומספר מחלות ניווניות", אומר פיטר סו, פרופסור להנדסה ביולוגית ומכאנית ב-MIT, מנהל MIT של מרכז מחקר ביו-רפואי לייזר, ואחד ממחברי המאמר.

Koseki Kobayashi-Kirschvink, פוסט דוקטורט ב-MIT וב-Broad Institute of Harvard ו-MIT, הוא הכותב הראשי של המחקר, שפורסם לאחרונה בכתב העת טבע ביוטכנולוגיה. המחברים הבכירים של המאמר הם טומאסו ביאנקלאני, מדען לשעבר במכון ברוד; ג'יאן שו, עוזר פרופסור בבית הספר לרפואה בהרווארד וחבר שותף במכון ברוד; ואביב רגב, סגן נשיא בכיר ב- Genentech Research and Early Development, שנמצא בחופשה מתפקידי סגל במכון ברוד ובמחלקה לביולוגיה של MIT.

הדמיה של ביטוי גנים

ספקטרוסקופיה של ראמאן היא טכניקה לא פולשנית החושפת את ההרכב הכימי של רקמות או תאים על ידי הארת אור קרוב לאינפרא אדום או נראה עליהם. מרכז המחקר הביו-רפואי בלייזר של MIT עובד על ספקטרוסקופיה ביו-רפואית של ראמאן מאז 1985, ולאחרונה, So ואחרים במרכז פיתחו טכניקות מבוססות ספקטרוסקופיה של ראמאן שיכולות לשמש לאבחון סרטן השד או למדוד את רמת הגלוקוז בדם.

עם זאת, ספקטרוסקופיה של ראמאן בפני עצמה אינה רגישה מספיק כדי לזהות אותות קטנים כמו שינויים ברמות של מולקולות RNA בודדות. כדי למדוד רמות RNA, מדענים משתמשים בדרך כלל בטכניקה הנקראת רצף RNA חד-תא, שיכולה לחשוף את הגנים הפעילים בתוך סוגים שונים של תאים בדגימת רקמה.

בפרויקט זה, צוות MIT ביקש לשלב את היתרונות של רצף RNA חד-תא וספקטרוסקופיה של ראמאן על ידי אימון מודל חישובי לתרגום אותות ראמאן למצבי ביטוי RNA.

"רצף RNA נותן לך מידע מפורט ביותר, אבל זה הרסני. ראמאן אינו פולשני, אבל הוא לא אומר לך שום דבר על RNA. לכן, הרעיון של הפרויקט הזה היה להשתמש בלמידת מכונה כדי לשלב את החוזק של שני השיטות, ובכך לאפשר לך להבין את הדינמיקה של פרופילי ביטוי גנים ברמת התא הבודד לאורך זמן", אומר קובאיאשי-קירשווינק.

כדי להפיק נתונים לאימון המודל שלהם, החוקרים טיפלו בתאי פיברובלסט של עכברים, סוג של תאי עור, עם גורמים שמתכנתים מחדש את התאים כדי להפוך לתאי גזע פלוריפוטנטיים. במהלך תהליך זה, תאים יכולים גם לעבור למספר סוגי תאים אחרים, כולל תאי עצב ואפיתל.

באמצעות ספקטרוסקופיה של ראמאן, החוקרים צילמו את התאים ב-36 נקודות זמן במשך 18 ימים כשהם התמיינו. לאחר כל תמונה שצולמה, החוקרים ניתחו כל תא באמצעות פלואורסצנציה של מולקולה בודדת במקום הכלאה (smFISH), אשר ניתן להשתמש בה כדי להמחיש מולקולות RNA ספציפיות בתוך תא. במקרה זה, הם חיפשו מולקולות RNA המקודדות תשעה גנים שונים שדפוסי הביטוי שלהם משתנים בין סוגי התאים.

נתוני smFISH אלה יכולים לשמש כקישור בין נתוני הדמיה של ראמאן ונתוני רצף RNA חד-תא. כדי ליצור את הקישור הזה, החוקרים אימנו תחילה מודל למידה עמוקה לחזות את הביטוי של אותם תשעת גנים בהתבסס על תמונות ראמאן שהתקבלו מאותם תאים.

לאחר מכן, הם השתמשו בתוכנית חישובית בשם Tangram, שפותחה בעבר ב-Broad Institute, כדי לקשר את דפוסי ביטוי הגנים smFISH עם פרופילי גנום שלמים שהם השיגו על ידי ביצוע רצף RNA חד-תא על תאי הדגימה.

לאחר מכן שילבו החוקרים את שני המודלים החישוביים הללו לאחד שהם מכנים Raman2RNA, שיכול לחזות את כל הפרופילים הגנומיים של תאים בודדים בהתבסס על תמונות ראמאן של התאים.

מעקב אחר בידול תאים

החוקרים בדקו את אלגוריתם ה-Raman2RNA שלהם על ידי מעקב אחר תאי גזע עובריים של עכברים כשהם מתמיינים לסוגי תאים שונים. הם צילמו תמונות ראמאן של התאים ארבע פעמים ביום במשך שלושה ימים, והשתמשו במודל החישובי שלהם כדי לחזות את פרופילי ביטוי ה-RNA התואמים של כל תא, שאותם הם אישרו על ידי השוואתו למדידות של רצף RNA.

באמצעות גישה זו, החוקרים הצליחו לצפות במעברים שהתרחשו בתאים בודדים כשהם התמיינו מתאי גזע עובריים לסוגי תאים בוגרים יותר. הם גם הראו שהם יכולים לעקוב אחר השינויים הגנומיים המתרחשים כאשר פיברובלסטים של עכברים מתוכנתים מחדש לתאי גזע פלוריפוטנטיים המושרים, במשך תקופה של שבועיים.

"זו הדגמה שהדמיה אופטית נותנת מידע נוסף המאפשר לך לעקוב ישירות אחר השושלת של התאים והתפתחות השעתוק שלהם", אומר So.

החוקרים מתכננים כעת להשתמש בטכניקה זו כדי לחקור סוגים אחרים של אוכלוסיות תאים המשתנות עם הזמן, כמו תאים מזדקנים ותאים סרטניים. כעת הם עובדים עם תאים הגדלים בצלחת מעבדה, אך בעתיד, הם מקווים שניתן יהיה לפתח את הגישה הזו כאבחון פוטנציאלי לשימוש בחולים.

"אחד היתרונות הגדולים ביותר של רמאן הוא שזו שיטה נטולת תוויות. זה רחוק, אבל יש פוטנציאל לתרגום האנושי, שלא ניתן היה לעשות באמצעות הטכניקות הפולשניות הקיימות למדידת פרופילים גנומיים", אומר ג'ון וונג קאנג, מדען מחקר ב-MIT שהוא גם מחבר המחקר.

המחקר מומן על ידי האגודה היפנית לקידום מלגת פוסט-דוקטורט עבור חוקרים בחו"ל, מלגת פוסט-דוקטורט בחו"ל Naito Foundation, מלגת MathWorks, קרן הלן היי ויטני, ארה"ב המכונים הלאומיים לבריאותהמכון הלאומי האמריקאי להדמיה ביו-רפואית וביו-הנדסה, HubMap, המכון הרפואי הווארד יוז ומצפה התאים של קלרמן.