Hvordan Henrietta mangler endret mitt syn på menneskeceller som fysiker

Fysikere har en tendens til å gjøre et komplekst problem til en enklere modell som lett kan fordøyes av matematiske ligninger eller eksisterende teorier. Har du noen gang hørt om “den sfæriske kua”? Det er en populær vits blant forskere, men den fanger hvordan fysikere ofte nærmer seg objektene de studerer. Kort sagt er det lettere å anta at en ku er en kule siden beregningene for et kuleformet system er enklere enn for et kuformet system.

Gjennom hele min vitenskapelige karriere har jeg jobbet med idealiserte «sfærer» som dette. Ved Jet Propulsion Laboratory i California fikk jeg i oppgave å oppdage jordnære objekter som Chelyabinsk-meteoren som eksploderte over den russiske byen med samme navn i 2013. På forskerskolen i Kent State i Ohio antok vi at stangen- formede flytende krystallmolekyler var agurker, noe som gjorde det lettere å visualisere hvordan de stilte seg ved siden av hverandre.

Spol frem til mitt nåværende arbeid ved National Institute of Standards and Technology (NIST), og nå er mine “sfærer” av interesse biologiske celler … av menneskelig opprinnelse.

Hvis det ikke var for boken med tittelen Det udødelige livet til Henrietta Lacks av Rebecca Skloot, jeg ville alltid se på biologiske celler gjennom en fysikers linse og ville ikke se noe mer enn sfæriske objekter under datainnsamling eller bildeanalyse. Denne innflytelsesrike boken introduserte meg for Henrietta Lacks’ historie.

Lacks var en svart kvinne født i 1920 som ble diagnostisert med livmorhalskreft da hun var 30. Behandlingene var mislykkede, og hun døde i en alder av 31. Selv om Lacks døde for mer enn 70 år siden, er cellene hennes fortsatt i live i dag. Uten hennes bevissthet eller samtykke – et alvorlig etisk problem som protokoller er på plass for å stoppe i dag – samlet forskere celler fra kreften hennes. De eksperimenterte deretter på, lagret og masseproduserte disse “HeLa”-cellene, og delte dem også med andre forskere. De ble de første udødelige menneskelige cellene som noen gang ble dyrket i kultur, noe som betyr at de fortsatte å reprodusere uendelig i en petriskål, og laget en vevskultur som var kontinuerlig brukbar og testbar for medisinske forskningsformål. Cellene hennes har bidratt til store vitenskapelige fremskritt, og vi står i stor gjeld til henne og familien hennes.

Jeg bruker ikke HeLa-celler i arbeidet mitt, men jeg bruker celler fra mennesker som det er innhentet samtykke fra. Lacks’ historie forandret for alltid min oppfatning av mine eksperimentelle prøver som inneholder lever sfæriske objekter og fikk meg til å innse deres tilknytning til virkelige mennesker, ikke bare hvor cellene kommer fra, men også hvem arbeidet mitt påvirker.

En av cellene jeg bruker i min forskning heter Jurkat Clone E6-1, avledet fra Jurkat-cellelinjen, som ble etablert på slutten av 1970-tallet fra blodet til en 14 år gammel mann med akutt T-celleleukemi. På dette tidspunktet hadde givere (eller deres representanter som familiemedlemmer) fått rett til å spesifisere hvordan de skal bruke cellene deres. Jurkat-cellene som vi har fått tak i kan kun brukes til laboratorieforskning, og ikke i for eksempel medisinske behandlinger. Men laboratorieforskning med disse cellene kan føre til store fremskritt innen vitenskap og medisin.

Ved å bruke disse cellene, sikter samarbeidspartnere og jeg på å komme opp med en bedre måte å måle levedyktigheten til en menneskelig celle. Enkelt sagt, en levedyktig celle er levende og i stand til å fungere.

Cellelevedyktighet er en kritisk viktig egenskap for bioteknologiske anvendelser, inkludert bruk av celler i medisinske terapier. Noen medisinske terapier introduserer levende celler i kroppen, og i andre tilfeller brukes døde celler til å evaluere terapier, så det er viktig å kunne oppdage forskjellen. Antall levende og døde celler brukes til å evaluere cellevekst, helse og funksjon, samt for å etablere effektive doser for terapeutiske legemidler. Bioteknologiarbeidere evaluerer rutinemessig cellelevedyktighet for å evaluere produksjonsprosessen og for å sikre kvaliteten og konsistensen til produktpartier for celleterapier.

Hvorvidt en celle er levedyktig eller ikke, avgjøres av om den har følgende egenskaper: et intakt ytre dekke (membran), evnen til å utføre livsopprettholdende kjemiske reaksjoner (metabolisme), og evnen til å bevege seg, reprodusere eller reagere. til stimuli.

Levedyktighet kan høres ut som en kvalitativ egenskap, en som er beskrivende snarere enn numerisk. Men kvantitative målinger kan spille en kritisk rolle i vurderingen av denne viktige egenskapen. Målingene vi utvikler kan knyttes, eller spores tilbake til, internasjonalt anerkjente definisjoner av fysiske måleenheter. I motsetning til dette mangler dagens cellelevedyktighetsmetoder slik sporbarhet og sammenlignbarhet, noe som blir viktig for eksempel når man sammenligner resultater ved forskjellige laboratorier eller produksjonsanlegg eller i samme anlegg på et senere tidspunkt.

Vi starter med å bruke en av de mye brukte metodene for å bestemme cellelevedyktighet: å helle et blått fargestoff kalt trypanblått på celler. Trypanblått trenger inn og flekker døde celler med ødelagte membraner. Levedyktige celler med intakte cellemembraner er imidlertid ugjennomtrengelige for trypanblått og forblir ufargede.

Vi bruker et mikroskop for å ta bilder av Jurkat-celler og ser deretter på hver piksel i bildet for å måle hvor mye lys cellen absorberer på grunn av fargestoffet. Siden vi kjenner fargestoffets absorbansegenskaper, kan vi da bestemme antall trypanmolekyler som absorberer lys. Antall molekyler som absorberer lys kan uttrykkes i mol, som er en enhet i det internasjonale enhetssystemet (SI). På denne måten muliggjør absorbansavbildning sporbare og sammenlignbare klassifiseringer av levende og døde celler. Dessuten, som vi fant, kan døde celler absorbere forskjellige mengder fargestoff avhengig av metoden som ble brukt for å drepe dem.

Sammen med våre samarbeidspartnere håper vi våre metoder for kvantitative levedyktighetsvurderinger i 2D- og 3D-cellekulturer vil akselerere utviklingen av biologiske produkter for menneskelig bruk og fremme feltet for regenerativ medisin, der syke celler, vev eller organer repareres eller erstattes.

Og takket være boken om Henrietta Lacks, har jeg en helt annen form for forståelse for prøvene mine. Jeg innser nå at bak hver “sfæriske ku” som jeg studerer i laboratoriet, fantes det en person som var snill nok til å donere en del av seg selv for vitenskapelige fremskritt. Vi vet ikke lenger hvem sine celler vi utforsker, siden den personlige identiteten ikke avsløres, men i tankene mine takker jeg respektfullt giveren når jeg håndterer prøvene deres.