Innowacyjne technologie w obszarze badań translacyjnych
Medycyna translacyjna jest dynamicznie rozwijającą się dyscypliną w obszarze badań biomedycznych łączącą odkrycia w dziedzinie nauk podstawowych, zdrowia publicznego i nauk klinicznych w celu zoptymalizowania opieki nad pacjentem. Obejmuje ona następujące rodzaje badań: przedkliniczne, oparte na dowodach lub ukierunkowane na wykrywanie chorób. Mają one na celu poprawę zdrowia ludzkiego i długowieczności poprzez określenie znaczenia nowych odkryć w naukach biologicznych dla chorób człowieka. Dzięki medycynie translacyjnej wiedza zdobyta w ramach badań naukowych może być szybko implementowana w codziennej praktyce klinicznej.
Liderem innowacyjnych technologii w obszarze badań translacyjnych jest biotechnologiczna firma NanoString Technologies, Inc. oferująca nowoczesne rozwiązania badawcze i translacyjne.
Ilościowe oznaczenia ekspresji genów oraz analiza całych szlaków sygnałowych w materiale biologicznym to tylko kilka z rozwiązań technologicznych oferowanych przez tę firmę. Powyższa technologia pozwala na oznaczenia zarówno pojedynczych genów, jak i dużych paneli genetycznych (do 800 genów w jednej reakcji). Można wybierać spośród szeregu dostępnych paneli zaprojektowanych przez firmę, np. panel dla guzów litych, panel immunologiczny, panel zapalny i wiele innych. Firma ma również bardzo zindywidualizowane podejście do swoich klientów, bo umożliwia samodzielne zaprojektowanie panelu genów, co jest dogodne w przypadku precyzyjnie zaplanowanych projektów naukowych. Ponadto firma opracowała technologie pozwalające na przeprowadzenie walidacji modeli wieloparametrycznych dla krążących we krwi obwodowej biomarkerów. Rozwiązania te znajdują zastosowanie we wczesnej diagnostyce chorób, w tym nowotworowych. Jest to też dobre narzędzie do walidacji danych uzyskanych metodami sekwencjonowania nowej generacji (NGS) i mikromacierzy.
Jako pionier w dziedzinie biologii przestrzennej, NanoString umożliwia zobrazowanie interakcji molekularnych w trzech wymiarach za pomocą różnych systemów: nCounter Analysis System, GeoMx Digital Spatial Profiler i CosMx Spatial Molecular Imager. Systemy te są oparte na nowatorskiej technologii cyfrowego molekularnego kodowania kreskowego, która została opracowana pod kierownictwem dr. Leroya Hooda w Instytucie Biologii Systemów (ISB) w Seattle, gdzie mieści się pierwsze takie laboratorium na świecie. Nowy produkt firmy NanoString - Spatial Molecular Imager zapewnia subkomórkowe obrazowanie nawet kilku tysięcy RNA lub białek bezpośrednio z pojedynczych komórek w nienaruszonych morfologicznie próbkach tkanek. Na bazie powyższych technologii firma opracowała unikalną metodę, która cechuje się wysoką czułością analityczną, znacznie przewyższając swymi parametrami inne alternatywne metody dostępne na rynku biotechnologicznym. Te ostatnie wymagają bowiem chemicznej obróbki materiału biologicznego, izolacji wybranej populacji badanych komórek lub homogenizacji tkanki, która w wyniku powyższych procesów traci bezpowrotnie swoją naturalną strukturę.
Ponadto technologia NanoString zyskuje coraz szersze zastosowanie w warunkach klinicznych, ponieważ może przezwyciężyć pewne powszechne ograniczenia związane z wykorzystaniem reakcji łańcuchowej polimerazy (PCR). W porównaniu z PCR technologia NanoString nie obejmuje bowiem etapów amplifikacji, czyli powielenia sygnału, co znacznie minimalizuje ryzyko zanieczyszczenia próbki. NanoString mierzy liczbę transkryptów mRNA bezpośrednio za pomocą tzw. „liczenia molekularnego” poprzez jednoczesne zastosowanie do 800 kolorowych sond w jednej reakcji.
Żródło: archiwum laboratorium CX Lab/Amsterdam/Holandia
System analityczny NanoString nCounter jest zautomatyzowaną platformą opartą na znakowanych fluorescencyjnie sondach reporterowych, które mogą zliczać setki cząsteczek w jednej reakcji, ale mogą również, w zależności od potrzeb wykryć nawet pojedyncze cząsteczki w badanym materiale. Można to porównać do dostępnych na rynku biotechnologicznym mikromacierzy DNA. Technologia nCounter oferuje bezpieczny sposób łatwego profilowania ekspresji setek genów, białek, miRNA lub wariantów liczby kopii, z zachowaniem wysokiej czułości analitycznej i precyzji. Jednocześnie koszty metody nie przewyższają alternatywnej metody dostępnej na rynku - qPCR (ang. quantitative Real Time PCR, ilościowy PCR w czasie rzeczywistym). W systemie nCounter wyeliminowano błędy związane z reakcją PCR, dzięki czemu system może być używany również do analizy próbek RNA o niskiej jakości. Ponadto sprawdzi się w analizie próbek FFPE (ang. formalin fixed paraffin embedded; utrwalonych w formalinie, zatopionych w parafinie), o których wiadomo, że nastręczają wielu problemów analitycznych przy zastosowaniu metod klasycznych. Platforma nCounter pozwala na analizę RNA bezpośrednio z lizatu lub z próbek FFPE. Kolejną korzyścią tej metody jest możliwość wykorzystania niewielkiej ilości materiału wejściowego oraz możliwość zbadania danej populacji komórek w całej tkance.
Żródło: archiwum laboratorium CX Lab/Amsterdam/Holandia
Inny dostępny analizator firmy NanoString - GeoMx Digital Spatial Profiler pozwala na obrazowanie całej tkanki z precyzją dla uwidocznienia pojedynczych genów lub białek, które ulegają ekspresji w pojedynczych komórkach tej tkanki. Innymi słowy GeoMx DSP łączy w sobie moc obrazowania całej tkanki z ekspresją genów i danymi białkowymi do przestrzennej transkryptomiki i proteomiki z jednego szkiełka FFPE. Aparat zapewnia przy tym wysoką rozdzielczość dla pojedynczej komórki w kontekście przestrzennym całej tkanki. Tkanka, jak wiadomo, to zespół komórek o podobnej budowie, pełniących podobne czynności, mających wspólne pochodzenie. Komórki wchodzące w skład tkanki są przystosowane do wykonywania określonej funkcji w organizmie. Poza komórkami, tkankę tworzy również macierz międzykomórkowa. Dane uzyskane poprzez zastosowanie powyższej technologii mogą dostarczyć cennych informacji nie tylko o ekspresji określonych genów czy białek w całej tkance, ale w jej pojedynczych komórkach, które tę tkankę tworzą..
Żródło: archiwum laboratorium CX Lab/Amsterdam/Holandia
CosMx Spatial Molecular Imager to kompatybilna z FFPE platforma do obrazowania pojedynczych komórek oparta na multiomice przestrzennej. Technologia zastosowana w tym aparacie umożliwia naukowcom mapowanie pojedynczych komórek w ich natywnym środowisku (w tkance o nienaruszonej strukturze). Zastosowanie tej technologii może przyczynić się do zdobycia wiedzy o biologii komórek i ich wzajemnych interakcjach zachodzących pomiędzy komórkami, które sąsiadują ze sobą w strukturze badanej tkanki.
Platforma Informatyki Przestrzennej AtoMxTM to narzędzie informatyczne oparte na chmurze obliczeniowej, wyposażone w zaawansowane możliwości analityczne. Zastosowanie tej platformy umożliwia międzynarodową współpracę pomiędzy naukowcami. Będąc w dowolnym miejscu i czasie można porozumieć się ze swoim międzynarodowym zespołem, omawiając w czasie rzeczywistym obrazy biologii przestrzennej uzyskane z zastosowaniem opisanych wyżej technologii. Obie powyższe platformy: CosMx, jak i AtoMx zostały uruchomione w 2022 r.
Technologie firmy NanoString nie są jednak pozbawione pewnych ograniczeń. Przeprowadzone dotychczas badania naukowe w oparciu o technologię NanoString wykazały m. in., że konieczne jest każdorazowo przeprowadzenie normalizacji poziomu ekspresji, reprezentowanego przez liczbę kopii odpowiedniego mRNA, z genem referencyjnym. Innym ograniczeniem jest konieczność wcześniejszej znajomości sekwencji nukleotydów, aby zaprojektować sondy molekularne stosowane w tej technologii.
Firma NanoString Technologies, Inc. ma swoją europejską siedzibę w Amsterdamie w Holandii - CX Lab. Laboratorium zostało otwarte w kwietniu ubiegłego roku. Nazwa pochodzi od angielskich słów: Customer Experience (doświadczenia klientów). CX Lab oferuje dostęp do wszystkich dostępnych aktualnie na rynku platform badawczych firmy NanoString, jednocześnie zapewniając spersonalizowane rozwiązania dla projektów naukowych, jak również wsparcie ze strony wykwalifikowanego i doświadczonego personelu badawczego.
Żródło: archiwum laboratorium CX Lab/Amsterdam/Holandia
Strategia CX Lab jest oparta m. in. o pomoc w doborze optymalnej technologii badawczej i opracowywaniu najlepszych strategii dla badań naukowych z obszarów proteomiki i genomiki w oparciu o technologię NanoString. Zespół CX Lab pomaga sprostać wyzwaniom naukowym i zapewnić wymierne korzyści w pracy zespołowej, podziale zadań w zespole badawczym i uzyskiwaniu wartościowych i rzetelnych danych. Zespół CX Lab prowadzi unikalne badania potrzeb swoich klientów, przeprowadza szkolenia z użytkowania sprzętu laboratoryjnego, pomaga w projektowaniu i wdrażaniu projektów, ale również w zwiększaniu produktywności zespołów badawczych. W CX Lab obok doświadczonych pracowników naukowych i technicznych pracują również bioinformatycy i statystycy, którzy służą pomocą z zakresu metodologii analizy danych. Wsparcie jest udzielane poprzez wirtualne, jak i osobiste konsultacje. Obok szerokiego zaplecza badawczego, laboratorium posiada również sale konferencyjne, w których odbywają się spotkania naukowe zespołów badawczych. Umożliwiają one przydział zadań w projektach naukowych do poszczególnych członków zespołów badawczych, omówienie planu badań, czy wspólną analizę uzyskanych wyników. Organizowane są tutaj również szkolenia dla małych grup zainteresowanych poznaniem technologii badawczych, w których specjalizuje się CX Lab.
Firma dąży do tworzenia kompleksowych rozwiązań, które są prostsze, łatwiejsze, szybsze i lepiej odpowiadają dzisiejszym wyzwaniom nauk przyrodniczych i medycznych.
Podsumowując, powyższa technologia, jako innowacyjna i stosunkowo niedawno wprowadzona na rynek biotechnologiczny aktualnie znajduje zastosowanie głównie w badaniach naukowych. Jednak ich przyszłe wprowadzenie do diagnostyki laboratoryjnej nie jest wykluczone. Postęp technologiczny, który dokonał się w ostatnich dziesięcioleciach zrewolucjonizował współczesną medycynę laboratoryjną i dodał znaczącej wartości do jej roli w opiece zdrowotnej, i podejmowaniu decyzji klinicznych. Godne uwagi innowacje m. in. w automatyce laboratoryjnej, genomice, proteomice i narzędziach elektronicznych już zmieniły oblicze badań laboratoryjnych. Rosnące zastosowanie tych technologii, a także ich integracja z mikrotechnologią i testowaniem w miejscu opieki nad chorymi, przyczyniły się do poprawy wyników ich leczenia, i ułatwiły skoncentrowane na pacjencie podejście do opieki zdrowotnej. Wprowadzanie nowoczesnych technologii do medycyny laboratoryjnej przełożyło się na poprawę pracy klinicystów, zmniejszyło TAT (ang. turnaround time; czas od pobrania próbki do wydania wyniku), obniżyło koszty diagnostyki oraz zwiększyło ogólną wydajność pracy laboratoriów. Nowatorskie postępy w technikach analitycznych uwydatniły integralną rolę badań laboratoryjnych w podejmowaniu decyzji klinicznych. Według opinii ekspertów, którzy w swojej pracy badawczej stosowali technologię firmy NanoString Technologies, Inc., odegra ona w niedalekiej przyszłości dużą rolę w diagnostyce i medycynie spersonalizowanej dzięki swojej prostej oraz łatwej w użyciu charakterystyce.
O autorze:
dr n. med. Ewelina Ziółkowska
Asystent w Klinice Hematologii Uniwersytetu Medycznego w Łodzi oraz młodszy asystent ds. diagnostyki laboratoryjnej Wojewódzkiego Wielospecjalistycznego Centrum Onkologii i Traumatologii w Łodzi. Absolwentka kierunku Analityka Medyczna Uniwersytetu Medycznego w Łodzi. Członek Polskiego Towarzystwa Hematologów i Transfuzjologów (PTHiT), Polskiego Towarzystwa Diagnostyki Laboratoryjnej (PTDL), Europejskiego Towarzystwa Hematologicznego (EHA).
