Individuare le cellule – sconfiggiamo il cancro insieme! Teach article

Tradotto da Monica Menesini. “Dimmi e lo dimentico, insegnami e lo ricordo, coinvolgimi e lo apprendo” diceva Benjamin Franklin. Fate vostra questa frase e coinvolgete i vostri studenti in un vero progetto di ricerca che insegnerà molto di più che la genetica e la morte cellulare.

I farmaci antitumorali per essere efficaci devono distruggere le cellule tumorali senza danneggiare le cellule sane. La chemioterapia attualmente disponibile non riesce a raggiungere questo livello di selettività, ma molti gruppi di ricerca stanno lavorando su nuovi composti che potranno essere i farmaci di domani, efficaci e privi di effetti collaterali.
 

Cellule HeLa

Le cellule HeLa costituiscono una linea cellulare umana. Furono prelevate da Henrietta Lacks, una donna che morì a causa di un tumore della cervice uterina nel 1951. Il suo medico prelevò alcune cellule del suo tumore, che vennero fatte crescere in coltura dando origine alla prima linea cellulare umana. Le cellule HeLa sono largamente utilizzate nei laboratori di biologia di tutto il mondo.

Immagine di una cellula HeLa in apoptosi con microscopio elettronico a scansione
Immagine gentilmente concessa da National Institutes of Health (NIH)

La ricerca di composti adatti viene effettuata attraverso sistemi robotici che sono in grado di esaminare e identificare molto velocemente milioni di potenziali candidati: queste macchine mettono le cellule tumorali in contatto con i farmaci potenziali, osservando se le cellule muoiono o sopravvivono. Questi esperimenti generano migliaia o anche milioni di immagini cellulari che devono essere analizzate secondo certi parametri – lo stato della cellula, il rilascio del contenuto della cellula, la distribuzione dei mitocondri, la forma del nucleo – e classificate per determinare la risposta cellulare nei confronti del farmaco potenziale. La soluzione ideale per gestire questa enorme quantità di dati sarebbe l’uso computer: però i computer non sono molto bravi a riconoscere questi schemi: niente batte l’occhio umano  nello svolgimento di questo compito (Lostal et al, 2013a; 2013b)!

E qui entrate in scena voi e le vostre classi. I ricercatori hanno bisogno di aiuto da parte di volontari che li aiutino ad analizzare le immagini e identificare possibili farmaci antitumorali nel più breve tempo possibile. I vostri studenti impareranno i concetti relativi alla morte cellulare aiutando gli scienziati a caratterizzare la risposta delle cellule HeLa a differenti composti chimici.

Il progetto Cell Spotting

Il team del progetto Cell Spotting sta testando 14.000 composti osservando la risposta delle cellule HeLa attraverso l’utilizzo di tecniche avanzate di microscopia ottica. Le colture delle cellule HeLa vengono fotografate ogni mezz’ora usando tre diversi canali: luce normale, fluorescenza blu e fluorescenza verde (Lostal et al, 2013a; 2013b). La luce normale mette in evidenza la forma delle membrane cellulari; la luce fluorescente blu è specifica per l’osservazione dei nuclei cellulari (colorati con il fluorocromo Hoechst 33342 che emette luce blu quando è legato al DNA); la luce verde è utilizzata per osservare i mitocondri, colorati con il fluorocromo Mitotracker. Combinando i dati acquisiti attraverso questi tre canali, gli scienziati possono generare immagini contenenti informazioni dettagliate su queste tre strutture cellulari, e video che mostrano i movimenti della cellula, la divisione e la morte. Vengono prodotte più di 4000 immagini al giorno e circa 14112 immagini in un singolo esperimento.

Figura 1. Confronto di una cellula animale e una cellula HeLa
Immagine gentilmente concessa da
Socientize

Individua le cellule e aiuta a combattere il cancro in classe

Questa attività è progettata per essere inserita in un corso di biologia per studenti da 14 a 18 anni, ma può essere adattata anche per altri gruppi. Esplora i seguenti contenuti: divisione cellulare, morte cellulare, regolazione genetica, cancro e biotecnologie.

L’attività è divisa in due parti:

A) Esplorazione del progetto Cell Spotting e comprensione del contesto

B) Utilizzo dell’applicazione Cell Spotting.

Materiali

Le risorse disponibili per questa attività sono:

  • un videow1 che riguarda il contesto del progetto Cell Spotting
  • una unità didattica w2 che fornisce uno schema della lezione e attività da svolgere con gli studenti
  • Un pacchetto per il docente w3 che contiene un documento dettagliato sulla ricerca, una presentazione Power point e tre brevi clip sulle cellule HeLa.

Procedimento

A) Esplorazione del progetto Cell Spotting e comprensione del contesto

Nella prima parte dell’attività, gli studenti utilizzano la modalità inquiry-based per acquisire informazioni sul progetto di ricerca e sulla metodologia.

1) Visione del videow1 ‘Socientize: Cell Images Experiment’ per contestualizzare l’attività.

2) Sviluppando il contenuto dell’unità didattica w2 rispondere alle seguenti domande:

  1. Qual è il compito di ricerca di Josè Villar?
  2. Che tipo di cellule usa?
  3. Che metodo usa per osservare le cellule?
  4. che risultati si può aspettare da diversi composti chimici?
  5. Che tipo di morte cellulare vuole indurre nelle cellule? Perché?

A questo punto può essere utile costruire un semplice diagramma come quello mostrato in figura 2.

3) Mostrate ai vostri studenti come distinguere apoptosi e necrosi e come individuare le cellule HeLa sane rispetto a quelle che stanno morendo:

  1. Chiedete agli studenti di analizzare la figura 5 dell’unità didattica e di costruire una tabella simile alla tabella 1 per sintetizzare le principali differenze morfologiche tra i due tipi di morte cellulare: volume cellulare, condensazione nucleare e reazione finale.
  2. Guardate le tre brevi clip incluse nel pacchetto docente che mostrano le cellule HeLa in 3 stati diversi (sane, in apoptosi, in necrosi). Chiedete agli studenti di identificare sulla base delle differenze morfologiche quale stato è rappresentato in ciascuna clip.
     
Figura 2. Esempio di diagramma per l’analisi dell’esperimento Cell Spotting
Immagine gentilmente concessa da Socientize
 

Ora gli studenti sono pronti ad aiutare José a identificare le immagini delle cellule HeLa!

  Apoptosi Necrosi
Tabella 1. Esempio di tabella che sintetizza le principali differenze morfologiche tra apoptosi e necrosi
Volume cellulare Diminuzione Aumento
Nucleo cellulare Frammentazione dopo la condensazione Aumento di volume
Rilascio del contenuto No (formazione di corpi apoptotici) Si
Risposta infiammatoria No Si

B) Gioca con l’applicazione Cell Spotting

L’applicazione Cell Spotting w4 consente a voi e ai vostri studenti di analizzare le immagini delle cellule HeLa e inviare le vostre analisi al team di ricerca. L’interfaccia dell’applicazione è molto intuitiva e user-friendly, per consentire a tutti di accedere e contribuire. Al primo accesso, si raccomanda di seguire il tutorial che spiega struttura, obiettivi e risorse, in modo da avere chiari tutti i dettagli prima del log in; poi si può cominciare a individuare e segnalare le cellule con etichette specifiche.

Figura 3. Rappresentazione dei processi di morte cellulare : apoptosi e necrosi
Immagine gentilmente concessa da Juliana Bortoletto
 

Per completare ciascun compito, è necessario analizzare la stessa immagine sulla base di quattro parametri:

  • Stato della cellula (morta o viva)
  • Rilascio del contenuto cellulare (se la cellula rilascia del materiale o no)
  • Distribuzione dei mitocondri (se I mitocondri sono raggruppati o sparpagliati nella cellula)
  • Altre caratteristiche (per esempio cellula multinucleata, dimensioni anormali di cellule e nuclei)

1) Chiedete ai vostri studenti di fare il log in e registrarsi in modo che il loro contributo non rimanga anonimo.

2) Esplorate l’applicazione con I vostri studenti e definite con precisione il loro compito. Se avete un proiettore, si può facilmente mostrare il procedimento proiettando l’immagine sul muro.

Figura 4. Applicazione cell Spotting
Immagine gentilmente concessa da Socientize
 

In sintesi, l’applicazione include:

  • La barra blu (indicata con A nell’immagine) in alto che elenca quello che dovete fare e le relative risorse, incluso:
    • la specifica domanda a cui dovete rispondere
    • I tre differenti canali luminosi che potete usare per visualizzare specifici dettagli dell’immagine: blu per visualizzare il nucleo; verde per i mitocondri; normale, che è il risultato della fusione delle immagini ottenute con luce blu, verde e bianca
  • il video dal quale ciascuna immagine è estratta
  • informazioni addizionali su ciascuna fase
  • accesso a Vish, il Virtual Science Hub, una piattaforma educativa che vi consente di visitare virtualmente il laboratorio nel quale si svolge la ricerca
  • un questionario di feedback
  • un link diretto all’unità didattica

L’immagine da analizzare è nel box B (in figura 4). In basso trovate le varie etichette per segnalare le cellule ed identificare il loro stato (vedere punto 8 della fig. 4). Potete anche rimuovere le etichette individualmente (vedere punto 10 della fig. 4). Se non siete sicuri della classificazione, potete utilizzare l’etichetta col il punto interrogativo (vedere punto 9 della Fig. 4).

Il box C fornisce una serie di esempi delle caratteristiche da individuare.

Per finire, sotto l’immagine da analizzare troverete una barra di avanzamento con i 4 parametri che dovete completare per ciascun compito (vedere box D della figura 4). Ogni volta che avete finito di analizzare un parametro, dovete cliccare sulla freccia a destra della barra per passare al parametro seguente. Quando i quattro parametri sono stati analizzati, apparirà un’icona che vi consentirà di terminare il compito. Successivamente una nuova immagine apparirà automaticamente e potrete iniziare una nuova analisi.

NOTA : Una guida utente per Cell Spotting è inclusa nel pacchetto per il docente. L’analisi è molto semplice e gli studenti non dovrebbero incontrare difficoltà.

3) Lasciate gli studenti liberi di utilizzare il programma e contribuire liberamente. Fate presente che possono accedere all’applicazione anche da casa.

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

  • Video ‘Socientize: Cell Images Experiment’ sul canale Youtube Ibercivis Ciencia’s:
  • w2 – Scaricare l’unità didattica per l’attività Cell Spotting:
  • w3 – Il pacchetto per il docente dell’attività cell Spotting contiene un documento dettagliato riguardante la ricerca, la guida, la versione dell’unità didattica con le soluzioni, e tre brevi video dei differenti stati delle cellule HeLa. Lo potere scaricare qui:
  • w4 – Incominciate a giocare con l’ l’applicazione Cell Spotting sul sito Socientize.

Resources

  • Scoprite di più sul progetto Socientize finanziato dell’EU sul sito ufficiale, che include anche altri progetti di citizen science.
  • Per rimanere aggiornati sui progetti di citizen science promossi da Socientize, consultare il sito web ufficiale del progetto Ibercivis.
  • Per un’altra attività didattica riguardante il cancro vedere:

Author(s)

António Monteiro è un biologo con una specializzazione nell’insegnamento di biologia e geologia. E’ attivamente impegnato nel progetto di citizen science FP7 ‘Socientize – Society as e-Infrastructure through technology, innovation and creativity’. Ha lavorato per il Museo di Scienze dell’Università di Coimbra in portogallo a partire dal 2009 in qualità di guida e sviluppatore di attività scientifiche, principalmente per la Notte dei Ricercatori. E’ anche impegnato nella promozione delle attività del museo sui social media.

Cândida G Silva è laureate in matematica e informatica ed ha un dottorato in chemoinformatica. Negli ultimi 4 anni ha collaborato con due progetti di citizen science: ibercivis.net e socientize.eu. I suoi interessi sono attualmente focalizzati su machine learning, data mining, scoperta di farmaci, citizen science, e-science, volunteer computing e data warehousing.

José Carrodeguas Villar, PhD, è un ricercatore all’Istituto di Biocomputazione e Fisica dei Sistemi Complessi (BIFI) dell’università di zaragoza in Spagna. Dirige un gruppo di ricerca che studia l’apoptosi nel cancro, il sistema immunitario, il sistema nervoso ed altri sistemi. E’ anche il principale ricercatore dell’esperimento Cell Spotting ed è coinvolto attivamente in diversi progetti e attività di citizen science presso Socientize and Ibercivis.

Questa attività è proposta da Socientize, un progetto finanziato dall’Unione Europea – Seventh Framework Programme numero RI-312902.


Review

Questo articolo descrive un’attività centrata sugli studenti che introduce il concetto di farmaco efficace nella cura del cancro e descrive come composti diversi vengono testati per verificare la loro capacità di uccidere le cellule cancerose. Viene presentata un’esercitazione attraverso la quale gli studenti imparano come le cellule HeLa in coltura possono essere utilizzate in questi test, e vengono presentati i processi di apoptosi e necrosi attraverso esempi visuali.

Viene poi descritto il progetto Cell Spotting attraverso il quale i partecipanti possono dare il loro contributo analizzando le cellule e caricando i risultati.

Ogni passaggio del progetto è chiaramente spiegato in modo da mettere in grado gli studenti di usare le proprie conoscenze e fornire il proprio contributo.


Dr Shaista Shirazi, Regno Unito




License

CC-BY-NC-SA