Imaginile optice avansate dezvăluie activitatea metabolică a celulelor imune individuale
Un eșantion de sânge de rutină conține o diversitate de celule imune care pot oferi indicii importante despre sănătate și boală.
Aceste celule, cunoscute sub denumirea de celule mononucleare din sângele periferic (PBMC-uri), sunt folosite pe scară largă pentru a studia infecțiile, tulburările autoimune, cancerul și răspunsul sistemului imunitar la tratamente. De obicei, cercetătorii identifică aceste celule utilizând etichete fluorescente care se atașează de markerii specifici de suprafață. Deși aceste metode sunt eficiente, ele oferă informații limitate despre modul în care celulele funcționează și pot altera celulele în timpul pregătirii. Conform unui studiu recent publicat în Biophotonics Discovery, imagistica optică avansată poate revela o informație inaccesibilă anterior: activitatea metabolică a celulelor imune individuale dintr-un eșantion complex de sânge.
„PBMC-urile pot fi izolate clinic foarte ușor și sunt deja folosite în fluxul de lucru clinic”, afirmă Melissa Skala de la Morgridge Institute for Research și Universitatea Wisconsin–Madison, autor senior al studiului. „Deci, întrebarea este: ce putem obține de la ele pe care nu îl obținem deja?”
Această întrebare are o relevanță clinică în creștere. PBMC-urile sunt studiate în mod obișnuit în condiții care variază de la cancerele de sânge și sepsis la lupus și declin cognitiv. Ele servesc, de asemenea, ca material de bază pentru terapiile celulare, cum ar fi tratamentele cu celule CAR T, care inginerizează celulele imune ale pacientului pentru a ataca cancerul. Înțelegerea nu doar a numărului de celule imune prezente, ci și a activității și fitness-ului metabolic al acestora ar putea oferi noi perspective asupra progresiei bolii și răspunsului la tratament.
În mod tradițional, măsurarea metabolismului celulelor imune necesită fie izolarea unor populații celulare specifice, fie adăugarea de etichete fluorescente și sonde chimice. Aceste abordări pot altera celulele, consuma eșantioane sau nu reușesc să surprindă modul în care diferitele tipuri de celule se comportă împreună. În contrast, noul studiu demonstrează o metodă non-distructivă care măsoară metabolismul în celule imune individuale, în timp ce acestea rămân parte dintr-un eșantion heterogen de PBMC-uri.
Pentru a realiza acest lucru, cercetătorii au folosit imagistica metabolică optică (OMI), o tehnică dezvoltată și rafinată de Skala Lab. OMI se bazează pe fluorescența naturală a moleculelor implicate în producția de energie celulară. În loc să introducă coloranți externi, metoda folosește microscopie cu două fotoni pentru a excita cofactori metabolici care apar natural în interiorul celulelor și măsoară cât timp emit lumină. Aceste durate de fluorescență oferă informații despre metabolismul celular și starea de activare. Deoarece abordarea utilizează semnale endogene, celulele rămân intacte și disponibile pentru analize suplimentare sau utilizare terapeutică.
Echipa a aplicat OMI la eșantioane de PBMC-uri izolate din sângele a trei donatori sănătoși. Apoi, au analizat mii de celule individuale atât în stări de repaus, cât și activate. Algoritmii de învățare automată au fost utilizați pentru a determina dacă măsurătorile metabolice ar putea identifica populații de celule imune diferite și detecta activarea imunității.
Rezultatele au arătat că metabolismul oferă un indicator puternic al identității și funcției celulelor imune. Cercetătorii au distins PBMC-urile activate de cele aflate în repaus cu o acuratețe de aproape 94% la doar două ore după stimulare. De asemenea, au identificat monocitele, celule cheie ale sistemului imunitar înnăscut, cu o acuratețe de 96% în eșantioanele de repaus și de 88% în cele activate. Celulele ucigașe naturale (NK) au fost identificate cu o acuratețe de aproximativ 74% în ambele stări.
Aceste descoperiri subliniază importanța metabolismului celulelor imune. Deși numărul celulelor imune este deja folosit ca marker diagnostic, metabolismul oferă informații suplimentare despre activitatea celulelor, indiferent dacă acestea sunt active, în repaus sau răspund unei amenințări. Studiul a constatat că monocitele și celulele NK au semnături metabolice distincte, probabil reflectând rolul lor de răspuns rapid în sistemul imunitar. În contrast, celulele T și B, care conduc răspunsurile imune adaptative mai specializate, au prezentat profile metabolice mai asemănătoare în condițiile experimentale.
Importanța abordării la nivel de celulă unică a relevat o heterogenitate substanțială în cadrul populației de celule imune. Unele celule, precum monocitele, au arătat niveluri ridicate de activitate metabolică, în timp ce altele au rămas metabolic inerte. Aceste diferențe ar fi fost ascunse de măsurătorile de grup care mediază semnalele pe întregul eșantion. Prin măsurarea metabolismului la nivelul celulelor individuale, OMI oferă o imagine mai detaliată despre modul în care funcționează sistemul imunitar.
Natura non-distructivă a tehnicii ar putea fi deosebit de valoroasă pentru aplicațiile de terapie celulară. Metodele actuale de evaluare a metabolismului celular necesită adesea reactivi sau etape de procesare care pot altera comportamentul celulelor. OMI, în schimb, menține viabilitatea celulelor după analiză, creând oportunități de evaluare a calității celulelor înainte de fabricarea produselor terapeutice. PBMC-urile sunt utilizate frecvent ca material de bază pentru terapiile cu celule CAR T și alte tratamente cu celule imune, ceea ce face evaluarea pretratamentează a fitness-ului celular o posibilitate atractivă.
Cercetătorii subliniază că tehnologia rămâne în principal un instrument de cercetare și nu se aliniază încă cu acuratețea metodelor de etichetare stabilite pentru identificarea fiecărui subtip de celule imune. Totuși, capacitatea sa unică de a măsura metabolismul la nivelul celulelor individuale fără a altera eșantioanele o face un complement valoros pentru abordările existente.
Privind spre viitor, echipa speră să dezvolte mai departe tehnologia pentru utilizare mai largă și traducere clinică. Prin combinarea imagisticii biopotonice avansate cu învățarea automată, ei își propun să facă informațiile metabolice mai accesibile pentru studiile despre cancer, tulburările imune și terapiile celulare. Această lucrare demonstrează cum imagistica optică poate depăși vizualizarea pentru a revela informații funcționale despre celule, oferind o înțelegere mai bogată a dinamicii sistemului imunitar în sănătate și boală.
