Time of Death: Teknologi Baru Dibutuhkan untuk Keakuratan yang Lebih Besar

Bagi para peneliti yang mempelajari neurodegenerasi, kurangnya pernyataan "waktu kematian" yang tepat untuk neuron ini membuat sulit untuk menentukan faktor-faktor apa yang menyebabkan kematian sel dan untuk menyaring obat-obatan yang mungkin menyelamatkan sel-sel yang menua dari kematian.              

Sekarang, para peneliti di Gladstone Institutes telah mengembangkan teknologi baru yang memungkinkan mereka melacak ribuan sel sekaligus dan menentukan momen kematian yang tepat untuk setiap sel dalam kelompok. Tim menunjukkan, dalam sebuah makalah yang diterbitkan dalam jurnal Nature Communications, bahwa pendekatan ini bekerja pada sel hewan pengerat dan manusia serta dalam ikan zebra hidup, dan dapat digunakan untuk mengikuti sel selama beberapa minggu hingga bulan.

"Mendapatkan waktu kematian yang tepat sangat penting untuk mengungkap sebab dan akibat penyakit neurodegeneratif," kata Steve Finkbeiner, MD, PhD, direktur Pusat Sistem dan Terapi di Gladstone dan penulis senior dari kedua studi baru tersebut. “Ini memungkinkan kita mengetahui faktor mana yang secara langsung menyebabkan kematian sel, mana yang tidak disengaja, dan mana yang mungkin merupakan mekanisme penanganan yang menunda kematian.”

Dalam makalah pendamping yang diterbitkan dalam jurnal Science Advances, para peneliti menggabungkan teknologi sensor sel dengan pendekatan pembelajaran mesin, mengajarkan komputer cara membedakan sel hidup dan mati 100 kali lebih cepat dan lebih akurat daripada manusia.

“Mahasiswa membutuhkan waktu berbulan-bulan untuk menganalisis data semacam ini dengan tangan, dan sistem baru kami hampir seketika—ini benar-benar berjalan lebih cepat daripada yang dapat kami peroleh gambar baru di mikroskop,” kata Jeremy Linsley, PhD, pemimpin program ilmiah di Finkbeiner's lab dan penulis pertama dari kedua makalah baru.

Mengajarkan Trik Baru Sensor Lama

Ketika sel mati—apa pun penyebab atau mekanismenya—mereka akhirnya menjadi terfragmentasi dan membrannya merosot. Tetapi proses degradasi ini membutuhkan waktu, sehingga menyulitkan para ilmuwan untuk membedakan antara sel yang sudah lama berhenti berfungsi, sel yang sakit dan sekarat, dan sel yang sehat.

Para peneliti biasanya menggunakan tag atau pewarna fluoresen untuk mengikuti sel-sel yang sakit dengan mikroskop dari waktu ke waktu dan mencoba mendiagnosis di mana mereka berada dalam proses degradasi ini. Banyak pewarna indikator, noda, dan label telah dikembangkan untuk membedakan sel-sel yang sudah mati dari yang masih hidup, tetapi mereka sering hanya bekerja dalam waktu singkat sebelum memudar dan juga dapat menjadi racun bagi sel-sel ketika diterapkan.

“Kami benar-benar menginginkan indikator yang bertahan seumur hidup sel—tidak hanya beberapa jam—dan kemudian memberikan sinyal yang jelas hanya setelah saat tertentu sel mati,” kata Linsley.

Linsley, Finkbeiner, dan rekan mereka mengkooptasi sensor kalsium, yang awalnya dirancang untuk melacak kadar kalsium di dalam sel. Saat sel mati dan membrannya bocor, salah satu efek sampingnya adalah kalsium masuk ke dalam sitosol encer sel, yang biasanya memiliki kadar kalsium yang relatif rendah.

Jadi, Linsley merekayasa sensor kalsium untuk berada di sitosol, di mana mereka akan berpendar hanya ketika kadar kalsium meningkat ke tingkat yang menunjukkan kematian sel. Sensor baru, yang dikenal sebagai indikator kematian yang dikodekan secara genetik (GEDI, diucapkan seperti Jedi di Star Wars), dapat dimasukkan ke dalam semua jenis sel dan memberi sinyal bahwa sel itu hidup atau mati selama masa hidup sel.

Untuk menguji kegunaan sensor yang didesain ulang, kelompok tersebut menempatkan kelompok besar neuron—masing-masing berisi GEDI—di bawah mikroskop. Setelah memvisualisasikan lebih dari satu juta sel, dalam beberapa kasus rentan terhadap neurodegenerasi dan lainnya terkena senyawa beracun, para peneliti menemukan bahwa sensor GEDI jauh lebih akurat daripada indikator kematian sel lainnya: tidak ada satu pun kasus di mana sensor itu diaktifkan dan sel tetap hidup. Selain itu, selain akurasi itu, GEDI juga tampaknya mendeteksi kematian sel pada tahap lebih awal daripada metode sebelumnya—mendekati “titik tidak bisa kembali” untuk kematian sel.

"Ini memungkinkan Anda untuk memisahkan sel hidup dan mati dengan cara yang tidak pernah mungkin dilakukan sebelumnya," kata Linsley.

Deteksi Kematian Manusia Super

Linsley menyebutkan GEDI kepada saudaranya—Drew Linsley, PhD, asisten profesor di Brown University yang berspesialisasi dalam menerapkan kecerdasan buatan pada data biologis skala besar. Saudaranya menyarankan agar para peneliti menggunakan sensor, ditambah dengan pendekatan pembelajaran mesin, untuk mengajarkan sistem komputer untuk mengenali sel-sel otak yang hidup dan mati hanya berdasarkan bentuk selnya.

Tim menggabungkan hasil dari sensor baru dengan data fluoresensi standar pada neuron yang sama, dan mereka mengajarkan model komputer, yang disebut BO-CNN, untuk mengenali pola fluoresensi khas yang terkait dengan seperti apa sel yang sekarat. Model tersebut, Linsley bersaudara menunjukkan, 96 persen akurat dan lebih baik daripada yang dapat dilakukan pengamat manusia, dan lebih dari 100 kali lebih cepat daripada metode sebelumnya untuk membedakan sel hidup dan mati.

“Untuk beberapa jenis sel, sangat sulit bagi seseorang untuk mengetahui apakah sel itu hidup atau mati—tetapi model komputer kami, dengan belajar dari GEDI, mampu membedakannya berdasarkan bagian gambar yang sebelumnya tidak kami ketahui. sangat membantu dalam membedakan sel hidup dan mati,” kata Jeremy Linsley.

Baik GEDI dan BO-CNN sekarang akan memungkinkan para peneliti untuk melakukan studi throughput tinggi baru untuk menemukan kapan dan di mana sel-sel otak mati — titik akhir yang sangat penting untuk beberapa penyakit paling penting. Mereka juga dapat menyaring obat untuk kemampuan mereka untuk menunda atau menghindari kematian sel pada penyakit neurodegeneratif. Atau, dalam kasus kanker, mereka dapat mencari obat yang mempercepat kematian sel yang sakit.

“Teknologi ini adalah pengubah permainan dalam kemampuan kita untuk memahami di mana, kapan, dan mengapa kematian terjadi dalam sel,” kata Finkbeiner. “Untuk pertama kalinya, kami benar-benar dapat memanfaatkan kecepatan dan skala yang disediakan oleh kemajuan dalam mikroskop berbantuan robot untuk mendeteksi kematian sel secara lebih akurat, dan melakukannya dengan baik sebelum momen kematian. Kami berharap ini dapat mengarah pada terapi yang lebih spesifik untuk banyak penyakit neurodegeneratif yang sejauh ini tidak dapat disembuhkan.”