Εντόπισε τα κύτταρα – ας πολεμήσουμε μαζί τον καρκίνο! Teach article

Μετάφραση: Έλσα Παπαδημητρίου, Βιοχημικός, PhD. «Πες μου και θα ξεχάσω, δίδαξε με και μπορεί να θυμάμαι, συμπερίλαβε με και θα μάθω» είπε κάποτε ο Βενιαμίν…

Τα αποτελεσματικά αντικαρκινικά φάρμακα πρέπει να καταστρέφουν επιλεκτικά τα καρκινικά κύτταρα χωρίς όμως να βλάπτουν τα υγιή κύτταρα. Οι υπάρχουσες χημειοθεραπευτικές προσεγγίσεις δεν έχουν πετύχει μέχρι σήμερα να φτάσουν στο ιδανικό επίπεδο επιλεκτικότητας, όμως πολλές ερευνητικές ομάδες συνεχίζουν να αναζητούν ουσίες που θα μπορούσαν να γίνουν τα αποτελεσματικά και απαλλαγμένα από παρενέργειες φάρμακα του μέλλοντος.
 

Κύτταρα HeLa

Τα κύτταρα HeLa είναι μία ιδιαίτερη ανθρώπινη κυτταρική σειρά. Προέρχονται από μία γυναίκα, την Henrietta Lacks, η οποία πέθανε από καρκίνο του τραχήλου το 1951. Ο γιατρός της πήρε μερικά κύτταρα από τον όγκο της και κατάφερε να τα μεγαλώσει σε θρεπτικό καλλιέργειας, αναπτύσσοντας έτσι την πρώτη ανθρώπινη κυτταρική σειρά. Τα κύτταρα HeLa είναι τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα ανθρώπινα κύτταρα σε εργαστήρια βιολογίας σε όλο τον κόσμο.

Η αναζήτηση κατάλληλων ουσιών πραγματοποιείται αρχικά από ρομποτικά συστήματα τα οποία δοκιμάζουν και αναγνωρίζουν πολύ γρήγορα εκατομμύρια υποψήφιες χημικές ουσίες: τοποθετούν τα καρκινικά κύτταρα μαζί με πιθανά φάρμακα και παρατηρούν αν τα κύτταρα πεθαίνουν ή επιβιώνουν. Τέτοια πειράματα παράγουν χιλιάδες ή ακόμη  και εκατομμύρια εικόνες κυττάρων, οι οποίες πρέπει να αναλυθούν με βάση διάφορες παραμέτρους – όπως η κατάσταση του κυττάρου, η απελευθέρωση κυτταρικού περιεχομένου, η κατανομή των μιτοχονδρίων ή το σχήμα του πυρήνα – και κατηγοριοποιούνται για να καθοριστεί η απόκριση των κυττάρων σε κάθε πιθανό φάρμακο. Η ιδανική λύση για να αναλυθεί αυτή η τεράστια ποσότητα δεδομένων θα ήταν να χρησιμοποιηθούν υπολογιστές. Όμως, οι υπολογιστές δεν είναι αρκετά καλοί στην αναγνώριση μοτίβων: τίποτα δεν κερδίζει το ανθρώπινο μάτι σε αυτή την εργασία (Lostal et al, 2013a; 2013b)!

Εδώ είναι το σημείο στο οποίο εμπλέκεστε εσείς και η τάξη σας. Οι ερευνητές χρειάζονται τη βοήθεια από όσο το δυνατό περισσότερους εθελοντές για να τους συνδράμουν στην ανάλυση των εικόνων και να αναγνωρίσουν πιθανά νέα φάρμακα κατά του καρκίνου όσο το δυνατό πιο γρήγορα. Οι μαθητές σας θα μάθουν για τον κυτταρικό θάνατο βοηθώντας τους ερευνητές να χαρακτηρίσουν την απόκριση των κυττάρων HeLa σε διαφορετικές χημικές ουσίες.

Το πρόγραμμα Cell Spotting

Η ομάδα του Cell Spotting ελέγχει περισσότερες από 14 000 χημικές ουσίες στα κύτταρα HeLa και παρατηρεί την αντίδραση τους χρησιμοποιώντας προηγμένες τεχνικές οπτικής μικροσκοπίας. Τα κύτταρα HeLa φωτογραφίζονται κάθε μισή ώρα σε τρία διαφορετικά κανάλια: κανονικό φως, μπλε και πράσινος φθορισμός (Lostal et al, 2013a; 2013b). Το κανονικό φως αποκαλύπτει το συνολικό σχήμα των κυτταρικών μεμβρανών; το κανάλι του μπλε φθορισμού χρησιμοποιείται ειδικά για την παρατήρηση των κυτταρικών πυρήνων (βάφονται με το φθοριόχρωμα Hoechst 33342, το οποίο εκπέμπει μπλε φως όταν είναι προσδεδεμένο στο DNA); και το πράσινο χρώμα είναι για την παρατήρηση των μιτοχονδρίων των κυττάρων (τα οποία βάφονται με το φθοριόχρωμα Mitotracker). Συνδυάζοντας τα δεδομένα που αποκτώνται από τα τρία κανάλια, οι επιστήμονες μπορούν να παράγουν εικόνες που περιέχουν λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με αυτά τα τρία στοιχεία της κυτταρικής δομής, καθώς και βίντεο που δείχνουν κυτταρικές κινήσεις, καθώς και διαίρεση και θάνατο των κυττάρων με το πέρασμα του χρόνου. Περισσότερες από 4000 εικόνες λαμβάνονται κάθε μέρα και περίπου 14112 εικόνες παράγονται από ένα μόνο πείραμα.
 

Εντοπίστε τα κύτταρα και βοηθείστε να καταπολεμηθεί ο καρκίνος από την τάξη σας

Αυτή η δραστηριότητα έχει σχεδιαστεί για να γίνει στο μάθημα της βιολογίας για μαθητές μεταξύ 14 και 18 ετών, μπορείτε όμως να την προσαρμόσετε για άλλες ομάδες. Εξερευνεί θέματα όπως η κυτταρική διαίρεση, ο κυτταρικός θάνατος, η γονιδιακή ρύθμιση, ο καρκίνος και η βιοτεχνολογία.

Η δραστηριότητα χωρίζεται σε δύο μέρη:

Α) Εξερευνήστε το ερευνητικό πρόγραμμα Cell Spotting και κατανοείστε το περιεχόμενο του, και

Β) Παίξτε με την εφαρμογή Cell Spotting.

Υλικά

Οι πηγές που είναι διαθέσιμες για αυτή τη δραστηριότητα είναι:

• ένα βίντεο^w1 που εξηγεί το ερευνητικό πρόγραμμα Cell Spotting
• μία διδακτική ενότητα^w2 που παρέχει ένα πιθανό σχέδιο μαθήματος και δραστηριότητες για τους μαθητές
• ένα πακέτο για τον καθηγητή^w3, το οποίο περιέχει ένα λεπτομερές κείμενο για την έρευνα, μία παρουσίαση PowerPoint και τρία σύντομα βίντεο για τα κύτταρα HeLa.

Διαδικασία

Α) Εξερευνήστε το ερευνητικό πρόγραμμα Cell Spotting και κατανοήστε το περιεχόμενο του.

Στο πρώτο μέρος της δραστηριότητας, οι μαθητές πρέπει να χρησιμοποιήσουν διερευνητική σκέψη για να μάθουν σχετικά με το ερευνητικό πρόγραμμα και την μεθοδολογία του.

1) Παρακολουθήστε το βίντεο^w1 ‘Socientize: Cell Images Experiment’ για να τοποθετήσετε τη δραστηριότητα στο σωστό πλαίσιο.

2) Διατρέξτε τη διδακτική ενότητα^w2 και βρείτε απαντήσεις στις ακόλουθες ερωτήσεις:

1. Τι κάνει ο Jose Villar στην έρευνα του;
2. Τι τύπο κυττάρων χρησιμοποιεί;
3. Ποιά μεθοδολογία χρησιμοποιεί για να παρατηρήσει τα κύτταρα;
4. Τι αποτελέσματα μπορεί να περιμένει από διαφορετικές χημικές ουσίες;
5. Τι τύπου κυτταρικό θάνατο θέλει να προκαλέσει ο Jose Villar στα κύτταρα; Γιατί;

Σε αυτό το στάδιο, ίσως είναι χρήσιμο να φτιαχτεί ένα απλό διάγραμμα σαν αυτό που παρουσιάζεται στην εικόνα 2.

3) Δείξτε στους μαθητές σας πως να διαχωρίζουν την απόπτωση από τη νέκρωση και πως να αναγνωρίζουν υγιή κύτταρα HeLa από κύτταρα που πεθαίνουν:

1. Ζητήστε από τους μαθητές σας να αναλύσουν την εικόνα 5 από τη διδακτική ενότητα και να φτιάξουν έναν πίνακα παρόμοιο με τον πίνακα 1, όπου θα συνοψίζουν τις κύριες μορφολογικές διαφορές μεταξύ των δύο τύπων θανάτου: διαφορές στον κυτταρικό όγκο, συμπύκνωση του πυρήνα και τελική αντίδραση.
2. Παρακολουθήστε τα τρία σύντομα βίντεο που δείχνουν τα κύτταρα HeLa  σε διαφορετικές καταστάσεις (υγιή, σε απόπτωση, σε νέκρωση) από το πακέτο του καθηγητή. Ζητήστε από τους μαθητές να αναγνωρίσουν ποια κατάσταση παρουσιάζεται σε κάθε σύντομο βίντεο με βάση τις μορφολογικές διαφορές.
    

Τώρα οι μαθητές σας είναι έτοιμοι να βοηθήσουν τον Jose Villar στην αναγνώριση εικόνων με τα κύτταρα HeLa!

Β) Παίξτε με την εφαρμογή Cell Spotting.

Η εφαρμογή Cell Spotting^w4 επιτρέπει σε σας και τους μαθητές σας να αναλύσετε εικόνες από κύτταρα HeLa και να στείλετε την ανάλυση σας στην ερευνητική ομάδα. Η διεπαφή της εφαρμογής είναι πολύ φιλική για το χρήστη και αυτοδύναμη, ώστε ο καθένας να μπορεί εύκολα να έχει πρόσβαση και να συνεισφέρει. Όταν θα χρησιμοποιήσετε την εφαρμογή για πρώτη φορά, προτείνουμε να ακολουθήσετε τις οδηγίες που εξηγούν τη δομή της, τους στόχους και τις πηγές. Αυτό θα εξασφαλίσει ότι έχετε όλες τις απαραίτητες λεπτομέρειες πριν κάνετε log in και ξεκινήσετε να εντοπίζετε και να επισημαίνετε τα κύτταρα με συγκεκριμένες ετικέτες.

Για να ολοκληρώσετε κάθε εργασία, πρέπει να αναλύσετε την ίδια εικόνα σύμφωνα με τέσσερις παραμέτρους:

• Τρέχουσα κατάσταση του κυττάρου (νεκρό ή ζωντανό)
• Απελευθέρωση κυτταρικού περιεχομένου (εάν το κύτταρο απελευθερώνει υλικό ή όχι)
• Κατανομή των μιτοχονδρίων (εάν τα μιτοχόνδρια είναι συγκεντρωμένα σε ομάδες ή διασκορπισμένα μέσα στο κύτταρο)
• Άλλα σχόλια (π.χ. πολυπύρηνο κύτταρο, κύτταρα με αφύσικο μέγεθος και πυρήνες)

1) Ζητείστε από τους μαθητές σας να κάνουν log in στην εφαρμογή και να εγγραφούν ώστε η συνεισφορά τους να μην μείνει ανώνυμη.

2) Εξερευνήστε την εφαρμογή μαζί με τους μαθητές σας και δώστε τους ξεκάθαρα να καταλάβουν τι πρέπει να κάνουν. Εάν διαθέτετε προτζέκτορα, αυτό μπορεί εύκολα να επιτευχθεί αν αναλύσετε μαζί τους μία εικόνα προβάλλοντας την στον τοίχο.

Συνοπτικά, η εφαρμογή περιλαμβάνει:

• την μπλε μπάρα (δείτε το Α στην εικόνα) στην κορυφή, η οποία συνοψίζει τι χρειάζεται να κάνετε και τα εργαλεία για να πετύχετε το σκοπό σας, συμπεριλαμβανομένων:
  • τη συγκεκριμένη ερώτηση που καλείστε να απαντήσετε
  • τα τρία διαφορετικά κανάλια φωτός, τα οποία μπορείτε να χρησιμοποιήσετε για να δείτε συγκεκριμένες λεπτομέρειες στην εικόνα: μπλε για να δείτε τον πυρήνα; πράσινο για να δείτε τα μιτοχόνδρια; και το κανονικό, που είναι το αποτέλεσμα της συγχώνευσης των εικόνων για το μπλε, το πράσινο και το λευκό φωτεινό πεδίο
• το βίντεο από το οποίο εξάγεται η κάθε εικόνα
• επιπρόσθετη πληροφορία σε κάθε βήμα
• πρόσβαση στο Vish (Virtual Science Hub), μία εκπαιδευτική πλατφόρμα όπου μπορείτε εικονικά να επισκεφτείτε το εργαστήριο που λαμβάνει χώρα το Cell Spotting
• μία έρευνα ενδιαφέροντος
• έναν άμεσο σύνδεσμο με τη διδακτική ενότητα

Η εικόνα που πρόκειται να αναλυθεί βρίσκεται στο κουτί B (στην εικόνα 4). Κάτω από αυτό μπορείτε να βρείτε διάφορες ετικέτες για να επισημάνετε τα κύτταρα και να αναγνωρίσετε την κατάσταση τους (δείτε το σημείο 8 στην εικόνα 4). Μπορείτε επίσης να αφαιρέσετε τις ετικέτες ατομικά (δείτε το σημείο 10 στην εικόνα 4) ή να ξεκινήσετε από την αρχή (δείτε το σημείο 11 στην εικόνα 4). Αν δεν είστε σίγουροι πως τα ταξινομήσετε τα κύτταρα, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε μία ειδική ετικέτα με ένα ερωτηματικό (δείτε το σημείο 9 στην εικόνα 4).

Το κουτί C παρέχει ένα σύνολο παραδειγμάτων για τα μοτίβα που πρέπει να αναγνωριστούν.

Τέλος, κάτω από την εικόνα προς ανάλυση θα βρείτε μία μπάρα προόδου με τις τέσσερεις παραμέτρους που πρέπει να συμπληρώσετε για κάθε εργασία (δείτε το κουτί D στην εικόνα 4). Κάθε φορά που ολοκληρώνετε την ανάλυση μίας παραμέτρου, πρέπει να κάνετε κλικ στο βέλος που βρίσκεται στα δεξιά της μπάρας προόδου, ώστε να προχωρήσετε στην επόμενη παράμετρο. Όταν αναλυθούν όλες οι παράμετροι, θα εμφανιστεί ένα εικονίδιο ώστε να καταστεί δυνατή η ολοκλήρωση της εργασίας σας. Μετά από αυτό θα εμφανιστεί αυτόματα μία νέα εικόνα και τότε μπορείτε να ξεκινήσετε την ανάλυση από την αρχή.

ΣΗΜΕΙΩΣΗ: Οδηγίες για να αρχίσετε με το Cell Spotting είναι διαθέσιμες στο πακέτο του καθηγητή. Η ανάλυση είναι πολύ απλή και οι μαθητές σας πολύ πιθανά θα την κάνουν εύκολα.

3) Αφήστε τους μαθητές σας να παίξουν με το πρόγραμμα και να συνεισφέρουν ελεύθερα. Πείτε τους ότι μπορούν να κάνουν log in και από το σπίτι.

Download

Download this article as a PDF