Straipsnyje apie Vilniaus universiteto Gyvybės mokslų centro (VU GMC) mokslininkų vadovaujamos komandos atliktą tyrimą, publikuotame prestižiniame žurnale „Science“, pristatoma nauja technologija, iš esmės plečianti pavienių ląstelių genetinių tyrimų galimybes.
Tai universali pusiau pralaidžių kapsulių technologija (angl. semi-permeable capsules, SPC), skirta didelio našumo pavienių ląstelių multiomikos tyrimams atlikti – tokiems tyrimams, kai vienu eksperimentu galima analizuoti kelis ląstelėje užkoduotus biologinės informacijos lygius. Ši technologija vienu metu leidžia ištirti ląstelės fenotipą ir genotipą, išlaikyti ląsteles gyvas, formuoti ląstelių sferoidus, atlikti daugiapakopes biochemines reakcijas su atskirų ląstelių genetine informacija ir suteikia kitų analitinių pranašumų.
VU tyrėjai šiame darbe neapsiribojo tik vienu taikymu ir parodė gana platų SPC technologijos pritaikomumą praktikoje. Buvo sukurtas ir pritaikytas naujas RNR sekoskaitos metodas CapSeq (angl. Capsule-based RNA-Sequencing), leidžiantis vienu eksperimentu ištirti daugiau nei 100 tūkst. pavienių ląstelių, analizuoti jų genetinę informaciją ir atrinkti piktybines ląsteles pagal pakitusius genų raiškos požymius.
„Šiame darbe parodėme, kad pusiau pralaidžių kapsulių technologija gali tapti universalia pavienių ląstelių analizės platforma transkriptomikos ir genomikos tyrimuose. Ji leidžia tikslingai atrinkti retas ar kliniškai svarbias ląsteles biologiniams klausimams spręsti“, – pabrėžia pirmasis straipsnio autorius, VU GMC doktorantas Denis Baronas.
„Svarbu tai, kad į kapsules įdėtos ląstelės ilgą laiką išlieka gyvybingos ir funkcionalios, ko negalima pasiekti naudojant mikroskyčių technologijas. Kapsulėse ląsteles galime stebėti, auginti savaitėmis, rūšiuoti ir tik vėliau nuspręsti, kokią genetinę ar molekulinę analizę su jomis atlikti“, – pažymi VU GMC Biotechnologijos instituto profesorius Linas Mažutis.
Dešimtmečius trukusios problemos sprendimas
Naujasis pusiau pralaidžių kapsulių metodas išsprendžia problemą, su kuria mokslininkai susiduria jau dešimtmečius: kaip efektyviai ir nebrangiai nustatyti ląstelių funkciją ir genome užkoduotą biologinę informaciją. Tam dažnai tenka naudoti įvairias viena po kitos einančias fermentines ar kitas biochemines reakcijas, kurios gali būti nesuderinamos tarpusavyje dėl pH, temperatūros, druskų ar kitų skirtumų. Iki šiol mokslininkai turėjo rinktis – naudoti arba aukšto našumo lašelių technologijas, kurios yra apribotos vieno žingsnio biocheminėms reakcijomis, arba žemo našumo daugiapakopes reakcijas, atliekamas laboratoriniuose mėgintuvėliuose ar 96 šulinėlių plokštelėse.
„Pavienių ląstelių tyrimai yra viena svarbiausių šiuolaikinės biologijos ir medicinos krypčių, tačiau iki šiol dažnai tekdavo rinktis tarp didelio našumo ir lankstumo. Mūsų sukurta technologija leidžia šiuos du aspektus sujungti“, – sako prof. L. Mažutis.
VU Matematikos ir informatikos fakulteto doktoranto Karolio Šablausko indėlis
Kalbėdamas apie savo vaidmenį tyrime, VU Matematikos ir informatikos fakulteto Duomenų mokslo ir skaitmeninių technologijų instituto doktorantas Karolis Šablauskas pabrėžia: „Iki duomenų analizės dalies daugiausiai prisidėjau prie biomedicinio tyrimo dizaino ir įgyvendinimo. Kartu su pirmuoju studijos autoriumi Deniu Baronu esame pagrindiniai tyrėjai biomedicinio tyrimo paraiškoje. Specifiškai reikėjo nuspręsti, kokius pacientus įtrauksime metodo validavimui ir užtikrinti mėginių surinkimą. Šioje vietoje labai daug padėjo Vilniaus universiteto ligoninės Santaros klinikų biobanko komanda, kuri užsiima tokių mėginių rinkimu ir saugojimu.“
VU MIF mokslininkas Karolis Šablauskas
Anot Karolio Šablausko, surinkus mėginius ir užbaigus „šlapią dalį“, kurią atliko Gamtos mokslų centras, daugiausiai dėmesio jis skyrė duomenų analizei.
„Man reikėjo atrinkti, kurios ląstelės yra blastai – piktybinės ląstelės, aptinkamos sergant onkologine kraujo liga, šiuo atveju – ūmine mieloleukemija. Įdomu, bet ir sudėtinga, nes blastai pavienių ląstelių sekoskaitoje ne visuomet turi aiškų žymenį, leidžiantį juos atskirti nuo sveikų ląstelių, ir ši riba ne visuomet yra akivaizdi. Dar sudėtingiau, kad kiekvieno paciento blastai šiek tiek skiriasi, kas aiškiai matėsi mūsų duomenyse. Galiausiai pasiteisino du pagrindiniai sprendimai: dalį blastų aprašėme pagal literatūroje žinomus požymius, o dalį pavyko identifikuoti objektyviai, pasitelkiant bioinformatikos įrankius; kai kuriais atvejais galėjome matyti specifinę geno mutaciją konkrečiose ląstelėse“, – pasakoja K. Šablauskas.
Jis taip pat pabrėžia platesnį tyrimo kontekstą: „Matau daug potencialo apjungiant pajėgumus tarp skirtingų sričių ekspertų. Vienas svarbiausių tikslų man buvo jungti žinias tarp klinicistų ir gamtos mokslų atstovų bei prisidėti analizuojant duomenis. Tikiuosi, kad šis tyrimas taps pavyzdžiu tęsti panašaus pobūdžio bendradarbiavimą ir mobilizuoti skirtingas kompetencijas onkologinių ligų tyrimuose.“
SPC technologija ir CapSeq metodas
SPC technologija remiasi mikroskopinėmis hidrogelio kapsulėmis, kuriose „uždaromos“ atskiros ląstelės. Kadangi tokių mikrokapsulių dydis yra apie 70 µm, tai viename laboratoriniame mėgintuvėlyje galima nesunkiai išlaikyti ir analizuoti iki milijono pavienių ląstelių. Kapsulės veikia kaip selektyvus rėtis: jos praleidžia maistines medžiagas, fermentus ir molekuliniams tyrimams reikalingus reagentus, tačiau suardžius ląsteles jų genetinė informacija – DNR ir RNR – yra išlaikoma kapsulių viduje. Būtent ši savybė leido VU komandai sukurti pavienių ląstelių RNR sekoskaitos metodą (CapSeq), suteikiantį galimybę efektyviai atlikti daugiapakopes biochemines reakcijas ir paruošti ląsteles transkriptominei analizei (t. y. nustatyti, kokie genai ir kokiose ląstelėse yra aktyvūs ir kiek aktyvūs).
Kalbėdamas apie technologijos privalumus, K. Šablauskas sako: „Pagrindinis metodo privalumas tas, kad lengviau negu ankščiau galima atlikti daug skirtingų eksperimentų su pavienėmis ląstelėmis. Prieš tai tyrėjai turėdavo pasirinkti metodą, kurį taikys pavienių ląstelių tyrimuose, ir jei po to norėtų atlikti papildomą tyrimą – laboratorijos dalį reikėtų pakartoti iš pradžių.“
Pamatyti tai, kas anksčiau buvo nematoma
Straipsnyje mokslininkai technologijos galimybes demonstruoja ūminės mieloidinės leukemijos (ŪML) tyrimu. Naudojant CapSeq, jiems pirmą kartą pavyko patikimai ištirti cirkuliuojančius ląstelių blastus pacientuose su skirtingais mutacijų profiliais, įvertinti specifinį granuliocitų atsaką į ŪML sukeliamus fiziologinius pokyčius.
Tyrimas atskleidė didelę ląstelių įvairovę, leido tiksliau susieti molekulinius ląstelių profilius su ligos prognoze ir parodė, kad net iš pažiūros „sveikos“ imuninės ląstelės sergančiųjų organizme jau yra paveiktos ligos procesų.
K. Šablauskas taip pat atkreipia dėmesį į naują įžvalgą: „Vienas iš unikalių dalykų šiame tyrime buvo tai, jog metodas leido pritaikyti pavienių ląstelių sekoskaitą neutrofilams – imuninėms ląstelėms, kurios prieš tai nebūdavo „pagaunamos“ tokių eksperimentų metu. Dalis sveikų imuninių ląstelių sergant ūmine mieloleukemija įgyja bruožų, būdingų blastams. Kol kas nėra aišku, ar blastai nulemia pakitusias imunines ląsteles, ar tai „užsimaskavę blastai“. Natūralus kitas tyrimas būtų atsakyti į šį klausimą.“
„Hematologinių ligų gydymo galimybės Lietuvoje yra labai pažengusios. Dirbant bendrai su klinicistais, gamtos mokslų atstovais ir duomenų mokslininkais galima daugiau prisidėti prie fundamentinių onkologinių ligų tyrimų Lietuvoje“, – priduria jis.
Itin reikšmingas akademinis pasiekimas
Publikacija žurnale „Science“ – tai itin reikšmingas akademinis pasiekimas. „Science“ kartu su „Nature“ ir „Cell“ laikomas vienu prestižiškiausių pasaulio mokslo žurnalų, pasižyminčių itin griežta straipsnių atranka.
„Tai patvirtina, kad Vilniaus universiteto Gyvybės mokslų centre kuriamos inovacijos konkuruoja su stipriausiais pasaulio mokslo centrais. Mes nebesame tik technologijų naudotojai – esame jų kūrėjai. CapSeq technologija gimė čia, Vilniuje, ir dabar taps įrankiu viso pasaulio mokslininkams“, – sako VU GMC direktorius dr. Arvydas Lubys.
Ateities perspektyvos
Kapsulėmis paremta pavienių ląstelių genomika ir transkriptomika neapsiriboja vien tik vėžio biologija, bet gali būti nesunkiai pritaikyta ir įvairioms kompleksinėms ligoms tirti. Be to, kapsulėse ląsteles galima užšaldyti ir atšildyti, jas auginti kelias savaites ir rūšiuoti pagal genų raiškos žymenis. Tai atveria naujas galimybes vykdyti klinikinius tyrimus su vertingais pacientų mėginiais ir plėtoti personalizuotą mediciną.
Planuojama, kad ši technologija taps viena pagrindinių paslaugų 2026 m. duris atversiančiame VU GMC Transliaciniame genų technologijų kompetencijų centre, kuris teiks aukščiausio lygio tyrimų paslaugas mokslui ir verslui visame regione.
Autoriai pažymi, kad „Science“ straipsnyje pristatyta kapsulių technologija šiuo metu yra patentuojama, aktyviai dirbama prie jos komercinimo.
Publikacijos „Science“ žurnale autoriai:
Denis Baronas (VU GMC), Simonas Norvaišis (VU GMC), Justina Žvirblytė (VU GMC), Greta Leonavičienė (VU GMC, „Atrandi Biosciences“), Vincenta Mikulėnaitė (VU GMC), Karolis Goda (VU GMC), Vytautas Kašėta (Valstybinis mokslinių tyrimų institutas Inovatyvios medicinos centras), Karolis Šablauskas (VUL Santaros klinikų Hematologijos, onkologijos ir transfuziologijos centras, Nacionalinis vėžio centras, VU ligoninė Santaros klinikos, VU Duomenų mokslo ir skaitmeninių technologijų institutas), Laimonas Griškevičius (VUL Santaros klinikų Hematologijos, onkologijos ir transfuziologijos centras, Nacionalinis vėžio centras, VU ligoninė Santaros klinikos, VU Medicinos fakulteto Klinikinės medicinos institutas), Simonas Juzėnas (VU GMC) ir Linas Mažutis (VU GMC).
Tyrimas vykdomas įgyvendinant „Traceget“ projektą.
Daugiau informacijos rasite čia.