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.

Ηλεκτρονική μικρογραφία σάρωσης ενός αποπτωτικού κυττάρου HeLa
Εικόνα ευγενική χορηγία του NIH (National Institutes of Health)

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.
 

Εικόνα 1. Σύγκριση της αναπαράστασης ενός ζωικού κυττάρου με την εικόνα ενός κυττάρου HeLa
Εικόνα ευγενική χορηγία του Socientize
 

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 βίντεοw1 που εξηγεί το ερευνητικό πρόγραμμα Cell Spotting
  • μία διδακτική ενότηταw2 που παρέχει ένα πιθανό σχέδιο μαθήματος και δραστηριότητες για τους μαθητές
  • ένα πακέτο για τον καθηγητήw3, 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 βίντεοw1 ‘Socientize: Cell Images Experiment’ για να τοποθετήσετε τη δραστηριότητα στο σωστό πλαίσιο.

2) Διατρέξτε τη διδακτική ενότηταw2 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.
     
Εικόνα 2. Παράδειγμα ενός διαγράμματος για την εξερεύνηση του πειράματος εντοπισμού των κυττάρων
Εικόνα ευγενική χορηγία του Socientize
 

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

  Απόπτωση Νέκρωση
Πίνακας 1. Παράδειγμα πίνακα που συνοψίζει τις κύριες μορφολογικές διαφορές μεταξύ απόπτωσης και νέκρωσης
Κυτταρικός όγκος Μείωση Αύξηση
Πυρήνας του κυττάρου Κατακερματισμός μετά από συμπύκνωση Αύξηση όγκου
Απελευθέρωση περιεχομένου Όχι (δημιουργία αποπτωτικών σωμάτων) Ναι
Φλεγμονώδης αντίδραση Όχι Ναι

Β) Παίξτε με την εφαρμογή Cell Spotting.

Η εφαρμογή Cell Spottingw4 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.

Εικόνα 3. Αναπαράσταση του κυτταρικού θανάτου: απόπτωση και νέκρωση
Εικόνα ευγενική χορηγία της Juliana Bortoletto
 

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.

Εικόνα 4. Η εφαρμογή Cell Spotting
Εικόνα ευγενική χορηγία του Socientize
 

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

References

  • Lostal E, Serrano F, Carrodeguas JA, Martínez P, Sanz F, Val C (2013a) Cell Images Analysis as a Case of Citizen Science for Advanced Education: Laboratory and School, Back and Forth. In Proceedings of the 7th International Technology, Education and Development Conference (INTED 2013) pp 2489–2496. Valencia, Spain: IATED
  • Lostal E, Serrano F, Carrodeguas JA, Martínez P, Sanz F, Val C (2013b) A case of Citizen Science for Cell Biology Images Analysis. In Proceedings of the XXXIII Congresso da Sociedade Brasileira de Computação (CSBC 2013) pp 1855–1862. Maceió, Brazil: CSBC

Web References

  • w1 – Παρακολουθείστε το βίντεο ‘Socientize: Cell Images Experiment’ στο κανάλι του YouTube Ibercivis Ciencia:
  • w2 – Κατεβάστε τη διδακτική ενότητα για τη δραστηριότητα του Cell Spotting:
  • w3 – Το πακέτο του καθηγητή για τη δραστηριότητα του Cell Spotting περιέχει ένα λεπτομερές κείμενο για την έρευνα, τον οδηγό του Cell Spotting, μία εκδοχή της διδακτικής ενότητας με λύσεις, και τρία σύντομα βίντεο διαφορετικών καταστάσεων υγείας των κυττάρων HeLa. Μπορείτε να το κατεβάσετε από εδώ:
  • w4 – Ξεκινήστε να παίζετε με την εφαρμογή Cell Spotting και από την ιστοσελίδα του Socientize.

Resources

  • Μάθετε περισσότερα για το πρόγραμμα Socientize από την επίσημη ιστοσελίδα του. Θα βρείτε επίσης και άλλα επιστημονικά προγράμματα για πολίτες, στα οποία μπορείτε να συμμετέχετε.
  • Για να κρατήσετε επαφή με τα επιστημονικά προγράμματα για πολίτες που προωθούνται από το Socientize, συμβουλευτείτε την επίσημη ιστοσελίδα του προγράμματος Ibercivis.
  • Για μία άλλη εκπαιδευτική δραστηριότητα που σχετίζεται με τον καρκίνο, δείτε:

Author(s)

Ο António Monteiro είναι βιολόγος με μεταπτυχιακό στη διδακτική της Βιολογίας και Γεωλογίας. Συμμετέχει ενεργά στο επιστημονικό πρόγραμμα FP7 για πολίτες «Socientize – H κοινωνία ως e-Υποδομή μέσω της τεχνολογίας, της καινοτομίας και της δημιουργικότητας». Έχει εργαστεί για το Μουσείο Επιστήμης στο Πανεπιστήμιο της Κοΐμπρα στην Πορτογαλία από το 2009 ως ξεναγός εκθεμάτων και ως υπεύθυνος ανάπτυξης εκπαιδευτικών επιστημονικών δραστηριοτήτων, κυρίως για τη Βραδιά του Ερευνητή. Επίσης ασχολείται με την προώθηση του μουσείου από τα μέσα κοινωνικής δικτύωσης.

Η Cândida G Silva κατέχει πτυχίο στα Μαθηματικά και τις επιστήμες υπολογιστών και διδακτορικό δίπλωμα στη χημειο-πληροφορική. Κατά τη διάρκεια των τελευταίων τεσσάρων ετών, είναι ενεργός συνεργάτης σε δύο επιστημονικά και εθελοντικά υπολογιστικά προγράμματα για το κοινό: ibercivis.net και socientize.eu. Τα τρέχοντα επιστημονικά ενδιαφέροντα της εστιάζουν στην εκμάθηση μηχανών, άντληση δεδομένων, ανακάλυψη φαρμάκων, επιστήμη για τους πολίτες, e-επιστήμη, εθελοντική χρήση υπολογιστών και αποθήκευση δεδομένων.

Ο José Carrodeguas Villar, PhD, είναι ερευνητής στο Ινστιτούτο Βιο-υπολογιστών και Φυσικής Περίπλοκων Συστημάτων (BIFI) στο Πανεπιστήμιο της Σαραγόσα στην Ισπανία. Ηγείται μίας επιστημονικής ομάδας που εστιάζει στη μελέτη της απόπτωσης στα καρκινικά κύτταρα, το ανοσοποιητικό σύστημα, το νευρικό σύστημα και άλλα συστήματα. Είναι επίσης ο κύριος ερευνητής στο πείραμα Cell Spotting και συμμετέχει ενεργά σε επιστημονικά προγράμματα για πολίτες και σε δραστηριότητες των Socientize και Ibercivis.

Αυτή είναι μία δραστηριότητα που προτείνεται από το Socientize, ένα πρόγραμμα που χρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση και το Έβδομο Πρόγραμμα Πλαίσιο (FP7, Seventh Framework Programme) με συμβόλαιο RI-312902.


Review

Αυτό το άρθρο περιγράφει μια μαθητο-κεντρική δραστηριότητα, η οποία εισάγει την ιδέα των αποτελεσματικών αντικαρκινικών φαρμάκων και το πως δοκιμάζονται διαφορετικές ουσίες ως προς την αποτελεσματικότητα τους στο να σκοτώνουν καρκινικά κύτταρα. Οι μαθητές στη συνέχεια εκτελούν μία άσκηση στην οποία μαθαίνουν για τα κύτταρα HeLa και πως αυτά καλλιεργούνται με απομονωμένες ουσίες για να ελεγθεί το αποτέλεσμα της κάθε ουσίας στα καρκινικά κύτταρα. Επίσης μαθαίνουν για την κυτταρική απόπτωση και την κυτταρική νέκρωση μέσα από οπτικά παραδείγματα.

Ακολούθως οι μαθητές εισάγονται στο ερευνητικό πρόγραμμα Cell Spotting, το οποίο επιτρέπει στους συμμετέχοντες να αναλύσουν κύτταρα και να συνεισφέρουν στο πρόγραμμα ανεβάζοντας στο διαδίκτυο τις αναλύσεις τους.

Κάθε βήμα του προγράμματος υποστηρίζεται από καθαρές οδηγίες και επεξηγηματικές σημειώσεις για να βοηθήσει τους μαθητές να χρησιμοποιήσουν τις γνώσεις τους και να συνεισφέρουν στο πρόγραμμα.


Dr Shaista Shirazi, Ηνωμένο Βασίλειο




License

CC-BY-NC-SA