در داخل آبکی یک سلول، فرآیندهای پیچیده ای در محفظه های کوچک عملکردی به نام اندامک ایجاد می شود. میتوکندری های تولید کننده انرژی، و همچنین دستگاه خزانه گولگی، که به انتقال مواد سلولی کمک می کند، اندامک هستند. هر دوی این محفظه ها به غشای نازک متصل می شوند.
اما در چند سال گذشته، تحقیقاتی در مؤسسه Whitehead و جاهای دیگر نشان داده اند که اندامک های سلولی دیگری نیز وجود دارند که بدون غشا در کنار هم قرار گرفته اند. این اندامک ها، به نام میعانات، قطرات کوچکی هستند که پروتئین های خاصی را در میان هرج و مرج سلولی، نزدیک به هم نگه می دارند، و باعث می شوند عملکردهای پیچیده ای در داخل سلول اتفاق بیفتد. آیزاک کلاین، فوق دکترای آزمایشگاه ریچارد یانگ در انستیتوی وایتهد و انکولوژیست در انستیتوی سرطان دانا - فاربر می گوید: "ما تاکنون از وجود حدود 20 نوع از میعانات در سلول مطلع شده ایم. "
با بررسی شاخه ها، آنها می توانند اصل و نسب سلول را رد یابی کنند تا دریابند چه زمانی یک سلولِ تومورِ تنها سرکش می شود و فرزندان خود را به بقیه بدن گسترش می دهد.اکنون، در مقاله ای که در 19 ژوئن در ساینس منتشر شد، کلاین و آن بویجا، یکی دیگر از پزشکان آزمایشگاه یانگ، ساز و کاری را نشان می دهند که در طی آن، مولکول های کوچک از جمله داروهای سرطانی در این قطرات سلولی متمرکز می شوند - یافته ای که می تواند پیامدهایی برای توسعه درمان های جدید سرطان داشته باشد. در صورتی که محققان بتوانند یک ماده شیمیایی را به گونه ای مناسب کنند که یک نوع قطره خاص را جستجو کرده و در آن متمرکز شود، ممکن است تأثیر مثبتی بر راندمان انتقال دارو داشته باشد. کلاین می گوید: "ما فکر کردیم شاید این راهی است که می توانیم از طریق آن درمان های سرطان را بهبود بخشیم و روش های جدیدی را کشف کنیم. "
پروفسور مؤسسه، فیلیپ شارپ، استاد زیست شناسی در انستیتوی تحقیقات سرطان یکپارچه و از نویسندگان مشترک این مطالعه، می گوید: "این [تحقیق] بخشی از یک روش انقلابی جدید برای مشاهده سازمان درون سلول ها است." "سلول ها استخرهای کوچکی نیستند که همه با هم مخلوط شده باشند. آنها در واقع واحدهای کاملاً متشکل و منظمی هستند و شناختن این سازمان از نظر عملکرد و بیماری هایشان مهم است. ما تازه درک این موضوع را شروع کرده ایم و این مقاله جدید با استفاده از این بینش، برای درک چگونگی درمان بالقوه بیماری ها، گامی مهم، به گونه ای متفاوت، است."
میعانات و تحویل دارو
برای بررسی چگونگی تأثیر خواص مختلف میعانات درون هسته سلول در تحویل داروهای سرطانی ، Boija و Klein چند نمونه از میعانات را برای مطالعه انتخاب کردند. این میعانات شامل این موارد بود: خوشه های اتصال، که مواد سلولی مورد نیاز برای اتصال RNA را ذخیره می کنند؛ هسته ها، جایی که ریبوزوم ها تشکیل می شوند؛ و نوع جدیدی از ریز قطره که در آزمایشگاه یانگ در سال 2018 کشف شد و یک میعان رونویسی خوانده می شود. این میعانات جدید تمام پروتئین های مختلف مورد نیاز برای رونویسی موفقیت آمیز یک ژن را جمع می کنند.لحظه دقیق متاستاز فرّار و غیر قابل تعیین است و در میلیون ها تقسیم موجود در تومور از دست می رود.محققان، مجموعه‌ی خود از چهار میعان مختلف دارای برچسب فلورسنت را با افزودن برچسب های درخشان به پروتئین های مارکر مخصوص هر نوع ریز قطره ایجاد کردند. به عنوان مثال، میعانات رونویسی، توسط پروتئین MED1 سازنده ریز قطره، که لکه ها را با پروتئینی به نامSRSF2 ، و هسته ها را با FIB1 و NPM1 به هم می چسباند، مشخص می شوند.
اکنون که آنها می توانند قطرات جداگانه را با توجه به هدف سلولی خود تشخیص دهند، تیم همراه با کمک Nathanael Gray ، زیست شناس شیمیایی در دانشگاه هاروارد و مؤسسه سرطانDana-Farber ، نسخه های فلورسنت داروهای مهم بالینی را ایجاد کرده اند. داروهای مورد آزمایش شامل سیس پلاتین و میتوکسانترون، دو داروی ضد تومور هستند که معمولاً در شیمی درمانی استفاده می شوند. این روش های درمانی آزمودنی های کاملی بودند، زیرا هر دو، پروتئین های درون میعانات هسته ای را هدف قرار می دهند.
محققان، داروهای سرطان را به مخلوطی که حاوی قطرات مختلف (و فقط قطرات، و نه هیچ یک از اهداف دارویی واقعی) بود اضافه کردند و دریافتند که این داروها خودشان را به صورت میعاناتی خاص دسته بندی می کنند. میتوکسانترون در میعانات علامت گذاری شده توسطMED1 ، FIB1 و NPM1 متمرکز شده و به طور انتخابی از دیگران اجتناب می کرد. سیس پلاتین نیز تمایل خاصی به قطرات چسبیده شده توسط MED1 نشان می داد.
بویجا می گوید: "کشف بزرگ با این مطالعات درون کشتگاهی این است که یک دارو می تواند در میعانات رونویسی مستقل از هدف خود متمرکز شود." "ما عادت داشتیم فکر کنیم که داروها در مکان درست قرار می گیرند زیرا اهداف وجود داشت، اما در سیستمِ درون کشتگاهی ما هدف وجود نداشت. این واقعاً آموزنده است - این نشان می دهد که مواد دارویی در واقع به روشی متفاوت از آن چه فکر می کردیم متمرکز شده اند. "
برای فهمیدن این که چرا برخی از داروها به میعانات رونویسی کشیده می شوند، آنها صفحه ای از رنگ های اصلاح شده شیمیایی را غربال کردند و دریافتند که قسمت مهم بسیاری از داروها - بخشی که باعث تمرکز آنها در میعانات رونویسی می شود - ساختار حلقه معطر مولکول ها است. حلقه های معطر گروه های پایدار و حلقه ای شکل از اتم های کربن هستند. به نظر می رسد که حلقه معطر در برخی از داروها با حلقه های موجود در اسیدهای آمینه MED1 توده شده و منجر به تمرکز دارو در میعانات رونویسی می شود.
این که بتوان دارویی را برای ورود به یک میعان خاص تنظیم کرد، ابزاری قدرتمند برای تولیدکنندگان دارو است. بویجا می گوید: "ما دریافتیم که اگر یک گروه معطر به یک مولکول اضافه کنیم، این ماده در میعانات رونویسی متمرکز می شود." "این نوع تعامل است که هنگام طراحی داروهای جدید برای ورود به میعانات رونویسی مهم است - و شاید بتوانیم داروهای موجود را با اصلاح ساختار آنها بهبود بخشیم. بررسی این موضوع بسیار هیجان انگیز خواهد بود. "
جایی که غلظت داروها بر میزان مبارزه آنها با سرطان تأثیر می گذارد
برای این که این ابزار به طور عملی در تولید دارو مفید باشد، محققان باید اطمینان حاصل کنند که غلظت قطرات خاص بر عملکرد داروها تأثیر می گذارد. Boija و Klein تصمیم گرفتند این آزمایش را با استفاده از سیس پلاتین انجام دهند، که توسط MED1 به میعانات رونویسی کشیده می شود و با افزودن مولکول های پلاتین نرم به رشته های DNA برای مقابله با سرطان کار می کند. این به ماده ژنتیکی سلول های تومور آسیب می رساند. هنگامی که محققان سیس پلاتین را به مخلوطی از میعانات مختلف، چه در لوله آزمایش و چه در سلول ها، تزریق کردند ، دارو ترجیحاً DNA را که درون میعانات رونویسی قرار داشت، تغییر داد.توانایی درک بهتر رفتار داروها در سلول های سرطانی - چگونگی تمرکز آنها و علت مقاومت سرطان در برابر آنها - ممکن است زرادخانه جدیدی از ابزارها برای ساخت داروهای کارآمد در اختیار توسعه دهندگان داروها قرار دهد.یانگ، که همچنین استاد زیست شناسی است می گوید که این می تواند توضیح دهد که چرا سیس پلاتین و سایر داروهای پلاتین در برابر بسیاری از سرطان های مختلف مؤثر هستند. ژن های ایجاد کننده سرطان غالباً مناطقی از DNA به نام مناطق فوق العاده تقویت کننده را حمل می کنند که در رونویسی بسیار فعال هستند و منجر به میعانات رونویسی بسیار بزرگی می شوند. وی گفت: "ما اکنون فکر می کنیم دلیل این که داروهایی مانند سیس پلاتین می توانند در بیماران مبتلا به سرطان های متنوع به خوبی عمل کنند این است که در ژن های ایجادکننده سرطان، جایی که این میعانات بزرگ رونویسی وجود دارد، به طور انتخابی متمرکز می شوند." "نتیجه، این است که باعث می شویم دارو در ژنی که باعث کشنده شدن هر سرطانی می شود، خانه کند. "
یک معمای چرایی مقاومت در برابر دارو، حل شد
بینش جدید در مورد رفتار میعانات، همچنین پاسخ هایی را برای سؤال دیگری در تحقیقات سرطان فراهم آورده است: چرا مردم نسبت به داروی سرطان پستان تاموکسیفن ایمن می شوند. تاموکسیفن با اتصال به گیرنده های استروژن در سلول های سرطانی، مانع دریافت هورمون های مورد نیاز آنها برای رشد می شود و در نهایت تشکیل سلول های جدید سرطانی را به طور کلی کند یا متوقف می کند. این دارو یکی از مؤثرترین درمان ها برای بیماری است که میزان عود سرطان های پستان ER+ را تا حدود 50 درصد کاهش می دهد.متأسفانه، بسیاری از بیماران به سرعت در برابر تاموکسیفن - گاهی اوقات به محض چند ماه پس از شروع مصرف - مقاومت پیدا می کنند. این به روش های مختلفی اتفاق می افتد - به عنوان مثال، گاهی اوقات سلول های سرطانی جهش می یابند تا بتوانند تاموکسیفن را از سلول بیرون بیاورند، یا به سادگی گیرنده های استروژن کمتری برای اتصال دارو تولید می کنند. یک نوع مقاومت با تولید بیش از حد پروتئین MED1 همراه بود، اما دانشمندان نمی دانستند چرا.
Boija و Klein با دانش جدید خود در مورد چگونگی تأثیر فعالیت دارو در محل غلظت آن، این فرضیه را داشتند: MED1 اضافی ممکن است اندازه قطرات را افزایش دهد، و در نتیجه غلظت تاموکسیفن را کم کرده و اتصال دارو به اهدافش را دشوارتر کند. هنگامی که آنها این آزمایش را در آزمایشگاه انجام دادند، گروه دریافتند که MED1 بیشتر باعث ایجاد قطرات بزرگ تر می شود و این منجر به کاهش غلظت تاموکسیفن می گردد.
مجموعه ابزاری جدید برای طراحان دارو
توانایی درک بهتر رفتار داروها در سلول های سرطانی - چگونگی تمرکز آنها و علت مقاومت سرطان در برابر آنها - ممکن است زرادخانه جدیدی از ابزارها برای ساخت داروهای کارآمد در اختیار توسعه دهندگان داروها قرار دهد.دلیل این که داروهایی مانند سیس پلاتین می توانند در بیماران مبتلا به سرطان های متنوع به خوبی عمل کنند این است که در ژن های ایجادکننده سرطان، جایی که این میعانات بزرگ رونویسی وجود دارد، به طور انتخابی متمرکز می شوند.فیل شارپ می گوید: "این مطالعه نشان می دهد که ما باید بررسی کنیم که آیا می توانیم داروهایی را طراحی یا جداسازی کنیم که در یک میعان مشخص غلظت یافته اند و بفهمیم که داروهای موجود چگونه در سلول متمرکز شده اند." "من فکر می کنم این برای تولید دارو بسیار مهم است - و من فکر می کنم [کشف کردن آن] سرگرم کننده خواهد بود. "
ابتلا به سرطان در عمل
با استفاده از فناوریCRISPR ، محققان در حال رد یابی دودمان سلول های سرطانی منفرد به صورت بلادرنگ، همان طور که آنها تکثیر می شوند و متاستاز می کنند، هستند.
تصویر: کلاژ درختان فیلوژنتیک که با دایره های رنگارنگ حلقه شده است. درختان فیلوژنتیک، با یک سلول سرطانی منفرد شروع می شوند. هر رنگ نشان دهنده مکان متفاوتی در بدن است. یک درخت بسیار رنگارنگ یک فنوتیپ بسیار متاستاتیک را نشان می دهد، جایی که فرزندان یک سلول بارها بین بافت های مختلف پرش کرده اند. درختی عمدتاً یک رنگ است، یک سلول کمتر متاستاتیک را نشان می دهد. جفری کوین / مؤسسه وایتهد
هنگامی که سرطان به یک نقطه از بدن محدود شود، پزشکان اغلب می توانند آن را با جراحی یا سایر روش های درمانی معالجه کنند. با این حال، بیشتر مرگ و میرهای ناشی از سرطان به دلیل تمایل به متاستاز، یا ارسال دانه هایی از سرطان است که ممکن است در سراسر بدن ریشه بدوانند. لحظه دقیق متاستاز فرّار و غیر قابل تعیین است و در میلیون ها تقسیم موجود در تومور از دست می رود. جاناتان ویسمن، استاد زیست شناسی و عضو پژوهشگاه زیست پزشکی وایتهد می گوید: "نظارت بر این وقایع به طور معمول غیرممکن است. "
این که بتوان دارویی را برای ورود به یک میعان خاص تنظیم کرد، ابزاری قدرتمند برای تولیدکنندگان دارو است. اما اکنون، محققان به سرپرستی ویسمن، که همچنین محقق مؤسسه پزشکی هوارد هیوز است، ابزار CRISPR را به روشی برای انجام این کار تبدیل کرده اند. در مقاله ای که 21 ژانویه در Science منتشر شد، آزمایشگاه ویسمن با همکاری نیر یوسف، دانشمند کامپیوتر در دانشگاه کالیفرنیا در برکلی و ترور بیوونا، زیست شناس سرطان در دانشگاه کالیفرنیا در سانفرانسیسکو، با سلول های سرطانی به روشی برخورد می کنند که زیست شناسان تکاملی ممکن است به آن روش به گونه ها نگاه کنند و یک درخت خانوادگی کاملاً دقیق را ترسیم کنند. با بررسی شاخه ها، آنها می توانند اصل و نسب سلول را رد یابی کنند تا دریابند چه زمانی یک سلولِ تومورِ تنها سرکش می شود و فرزندان خود را به بقیه بدن گسترش می دهد.
ویسمن می گوید، "با استفاده از این روش می توانید سؤالاتی از این قبیل را بپرسید ،"آیا این تومور چند وقت یک بار متاستاز می کند؟ متاستازها از کجا آمده اند؟ آنها به کجا می روند؟ "" "شما می توانید تاریخچه تومور را به صورت درون کشتگاهی دنبال کنید. شما اختلافاتی را در زیست شناسی تومور نشان می دهید که در غیر این صورت قابل مشاهده نیستند. "
سلول های کاغذ را خراش دهید
دانشمندان با مقایسه جهش های مشترک و سایر تغییرات در نقشه هایDNA ، دودمان سلول های سرطانی را در گذشته رد یابی کرده اند. این روش ها اما، تا حدودی به وجود جهش های طبیعی یا نشانگرهای دیگر برای نشان دادن دقیق روابط بین سلول ها بستگی دارد.این جا همان جایی است که ویسمن و نویسندگان مقاله ای مربوطه، فرصتی را برای استفاده از فناوری CRISPR دیدند - به ویژه روشی که میشل چان، عضو آزمایشگاه ویسمن، برای پیگیری از آن استفاده کرد، که عبارت بود از رشد جنین - برای تسهیل رد یابی.
به جای این که فقط امید داشته باشند که یک نسب سرطانی، حاوی نشانگرهای خاص دودمان برای رد یابی باشد، محققان تصمیم گرفتند از روش چان برای افزودن مارکرها استفاده کنند. ویسمن می گوید: "اساساً این ایده‌ی مهندسی سلول است که دارای صفحه خراش ژنومی DNA است و سپس می توان با استفاده از "CRISPR" بر روی آن نوشت. " " این "نوشتن" در ژنوم به گونه ای انجام می شود که وراثتی می شود، به این معنی که فرزندان یک سلول، "نوشتنِ" سلول های مادر و مادر بزرگان خود را در ژنوم خود ثبت می کنند."
برای ایجاد این سلول های ویژه "صفحه خراشیده"، ویسمن سلول های سرطانی انسان را با ژن های اضافه شده مهندسی کرد: یکی برای پروتئین باکتریایی Cas9 – مشهور به "قیچی مولکولی" مورد استفاده در روش های ویرایش ژنوم CRISPR - و برخی دیگر برای پروتئین های درخشان برای میکروسکوپ، و چند توالی که به عنوان اهدافی برای فناوری CRISPR عمل می کنند.
اندامک های سلولی دیگری نیز وجود دارند که بدون غشا در کنار هم قرار گرفته اند. این اندامک ها، به نام میعانات، قطرات کوچکی هستند که پروتئین های خاصی را در میان هرج و مرج سلولی، نزدیک به هم نگه می دارند، و باعث می شوند عملکردهای پیچیده ای در داخل سلول اتفاق بیفتد.آنها سپس هزاران سلول اصلاح شده سرطانی انسان را در موش کاشتند و از یک تومور ریه تقلید کردند (مدلی که توسط همکار Bivona ساخته شد). موش هایی که تومور ریه انسان دارند اغلب متاستازهای تهاجمی از خود نشان می دهند، بنابراین محققان استدلال کردند که آنها الگوی خوبی برای رد یابی پیشرفت سرطان به صورت بلادرنگ، ارائه می دهند.
با شروع تقسیم سلول ها، Cas9 برش های کوچکی در این مکان های هدف ایجاد کرد. هنگامی که سلول، برش ها را ترمیم کرد، چند نوکلئوتید تصادفی را وصله زد یا حذف کرد، و منجر به یک توالی ترمیم منحصر به فرد به نام indel شد. این برش و ترمیم تقریباً در هر نسل به طور تصادفی اتفاق افتاد و نقشه ای از تقسیمات سلولی ایجاد کرد که ویسمن و تیم او می توانند با استفاده از مدل های رایانه ای ویژه ای که با همکاری با یوسف، دانشمند کامپیوتر ایجاد کرده اند، رد یابی کنند.
منبع: اوا فردریک، مؤسسه وایتهد