211service.com
En bit av labblivet
Gradeleven Colin Buss experimenterar med en teknik som kan hjälpa till att tygla en överpresterande vita blodkropp. 22 augusti 2018
Colin Buss, forskare vid MIT:s Koch Institute for Integrative Cancer Research, säger att det inte är för mycket av en överdrift att kalla BD LSRFortessa för sin bästa vän. Vi har tillbringat många lördagseftermiddagar tillsammans, säger Buss om flödescytometern, som används för att räkna och sortera celler i en lösning. Efter att han placerat ett rör med cellprover på enheten och ett metallmunstycke suger in vätskan, separerar maskineriet de enskilda cellerna och analyserar dem genom att utsätta dem för en mängd olika lasrar. Fortessa kan cirkulera genom tusen celler per sekund, vilket sparar forskare som Buss otaliga timmar av att titta in i ett mikroskop. Inte konstigt att de är vänner.
Även när han använder tekniker i framkant av sitt område, lägger Buss, som så många av de 6 900 andra studenterna på campus, långa timmar i labbet med att utföra till synes rutinmässiga uppgifter. Men potentialen i hans forskning är långt ifrån alldaglig. Tekniken han testar genom att undersöka alla dessa celler kan leda till bättre behandlingar för sepsis, ett tillstånd där kroppens överreaktion på en infektion skadar dess egna vävnader och organ. Varje år dör cirka 250 000 amerikaner av sepsis, vilket beräknas döda mer än fem miljoner människor årligen över hela världen.
Buss slutade bli vän med Fortessa vid MIT efter att ha inspirerats av bioteknikprofessorn Sangeeta Bhatia, SM ’93, PhD ’97, som utvecklade cancerdiagnostik och terapi som ofta använde nanopartiklar som leveransteknik. Buss hade studerat kemiteknik på Cornell och funderade först på att bli läkare, men han insåg att han var mer intresserad av medicinsk forskning. Jag känner att jag kan få en större effekt genom att utveckla en ny terapeutisk teknik snarare än att behandla patienter direkt, säger han. Ivrig att hjälpa till att expandera Bhatias nanopartikelteknologi till nya användningsområden, som att rikta in sig på immunsystemets celler, gick han med i hennes Laboratory for Multiscale Regenerative Technologies vid Koch Institute för fem år sedan. Hans forskning där som doktorand har drivit honom att utnyttja sin inre ingenjör, säger han, för att komma med en lösning på någon riktigt intressant fråga.
Frågan som nu har hans uppmärksamhet är om immunsystemets naturliga svar på infektion kan finjusteras med lite nanoteknikaktiverad genmanipulation. Så idag använder han Fortessa för att analysera prover av vita blodkroppar som han samlat in från möss. I natt fick han flera möss att andas in luftburna bakterier, vilket fick dem att utveckla en infektion på tre till fyra timmar. Tidigt i morse injicerade han dem med nanopartiklar innehållande små störande RNA (siRNA). Och om allt gick som planerat, säger Buss, att införa det genetiska materialet i deras blodomlopp borde hjälpa till att reglera deras immunsystems svar på infektionen.
Doktorand Colin Buss övervägde en gång att bli läkare men bestämde sig för att han kunde hjälpa fler människor genom att utveckla terapier. Så han gick med i Sangeeta Bhatias Lab for Multiscale Regenerative Technologies för att arbeta med henne om att använda nanopartikelbaserad läkemedelsleverans för att bekämpa infektionssjukdomar.
Möss kroppar reagerar på infektioner på samma sätt som människor gör. När immuncellerna som ständigt cirkulerar i blodomloppet upptäcker närvaron av en inkräktare, såsom ett virus, bakterier eller svamp, sätter de igång kroppens immunsvar och rekryterar många plutoner av försvarsceller – inklusive flera av de fem varianterna av vitt. blodkroppar – för att förena dem vid infektionsplatsen. Buss studerar monocyter, en typ av vita blodkroppar som ofta gör sitt jobb lite för bra, rekryterar för många andra celler och skapar för mycket inflammation. Medan en viss mängd lokaliserad inflammation på infektionsplatsen är avgörande för att förstöra den invaderande patogenen, kan den långvariga och utbredda inflammationen som uppstår vid sepsis leda till organskador och fel. Med infektioner i känsliga organ som lungorna och hjärtat kan ditt immunsvar vilja kasta allt det har på bakterierna, säger Buss. Men för mycket inflammation och för lite fokus på att reglera resten av din kropp kan faktiskt döda dig innan infektionen gör det.
Ditt immunsvar kan vilja kasta allt det har på bakterierna. Men för mycket inflammation... kan faktiskt döda dig innan infektionen gör det.
De siRNA-bärande nanopartiklarna, som Buss designade, är avsedda att kontrollera den inflammationen. En konstruerad molekylär beläggning hjälper dem att överleva simningen genom blodomloppet och låter dem docka på monocyternas membran för att lossa sin last. SiRNA:t glider sedan in i cellernas DNA-replikationsprocess och blockerar produktionen av ett signalprotein som fungerar som en kemisk fyr för att rekrytera andra monocyter till infektionsplatsen. Utmaningen ligger i att se till att buntarna av siRNA inte stör andra varianter av immunceller eller stänger av monocyterna helt. Vi vill fortfarande att monocyterna ska reagera på infektionen, säger Buss. Vi vill bara inte att de ska överreagera.
Dagens experiment är utformat för att testa om nanopartiklarna nådde sin avsedda destination. Så efter att ha isolerat de vita blodkropparna från blodproverna färgkodar han dem. Varje typ av vita blodkroppar har en unik kombination av ytreceptorer, lastbryggor som används för att binda och interagera med andra celler. Buss märker cellerna med en mängd olika färgämnen utformade för att bara fästa på en specifik receptor, vilket gör att han kan sortera dem efter celltyp. (Monocyter kommer till exempel att avge blått, vitt och gult ljus i Fortessa.) Buss har också färgat sina nanopartiklar rosa. Så om leveransen lyckades ska monocyterna också lysa rosa när han kör dem genom Fortessas lasrar. Och genom att räkna antalet andra vita blodkroppar som också avger rosa, kommer Buss att kunna avgöra hur många som tagit emot oavsiktliga siRNA-paket.
För att färgkoda de vita blodkropparna använder Buss en propipette, ett instrument som ser ut som en limpistol, för att fördela färg i sina lösningar. Hans rörelser är rytmiska – stick propipetten i en ny steril spets, sug upp lösningen, dispensera lösningen, släng den använda spetsen i en bioavfallshink och upprepa. Att skapa dussintals prover – inklusive kontrollprover för att korrekt kalibrera Fortessa – är repetitivt arbete, men Buss säger att han har hittat sitt spår.
Under sina år som arbetat i labbet, säger Buss, har han sett det växande löftet om små tekniker för att skapa mer exakta och inställbara effekter i de biologiska processerna hos levande varelser. Teknologier som siRNA i nanopartiklar gör det möjligt för forskare att inse ett beteende i en specifik grupp av celler, precision som länge har varit utom räckhåll för läkemedelsbehandlingar för cancer och infektionssjukdomar. siRNA-terapi ger oss förmågan att kontrollera celler på nivån av individuella gener - något som traditionellt har varit svårt med småmolekylära läkemedel, säger han. Därför har många läkemedel flera negativa biverkningar.
Buss hoppas att hans nanopartikelexperiment, inklusive tidigare arbete där han riktade in sig på cancerceller, kommer att bli hans examensarbete. Den största skillnaden mellan cancerarbete och arbete med infektionssjukdomar är tidsskalan, säger han. Med cancer inokulerar du mössen och arbetar under loppet av en månad. Med infektionssjukdomar måste allt hända på 24 timmar.
När klockan tickar på sitt siRNA-experiment, bär Buss sina färgade prover nerför tre trappor i en frigolitlåda med is för att köra dem genom Fortessa. När de vita blodkropparna snurrar genom labyrinten av lasrar inuti, börjar små prickar dyka upp i en punktdiagram på monitorn. Han lutar sig framåt och undersöker de många tomterna när cellerna börjar klunga ihop sig.
Ser du det? säger han och bläddrar mellan plotterna av blått, vitt och gult – färgämnesfärgerna som motsvarar receptorerna på monocyterna – och plotten som motsvarar den rosa taggen på siRNA-paketen. Prickarna samlas på samma ställe på dem alla, vilket betyder att hans paket hittade monocyterna och lossade deras last. Han kommer att behöva undersöka resultaten för de andra vita blodkroppstyperna för att se om de också fick siRNA-paketen. Och hundratals upprepningar av samma experiment ligger framför oss. Men för tillfället tittar han på spridningen som berättar för honom att hans nanopartiklar hittat sitt mål. Den där är vacker, säger han.