Pavadinimas: Ląstelių stebėjimas – nugalėkime vėžį kartu! Teach article

Vertė Urtė Neniškytė. “Papasakok man ir aš užmiršiu, išmokyk mane ir aš atsiminsiu, įtrauk mane ir aš išmoksiu“, kartą pasakė Benjaminas Franklinas. Padarykite šią citatą savo devizu ir įtraukite savo mokinius į tikrą vėžio tyrimo projektą, kuris juos išmokys daugiau…

Veiksmingi priešvėžiniai vaistai turi atrankiai naikinti naviko ląsteles, nepažeisdami sveikų ląstelių. Šiuo metu taikomais chemoterapiniais preparatais nepavyksta pasiekti idealaus atrankumo, tačiau daugybė mokslininkų grupių nepaliauja ieškoti junginių, kurie galėtų tapti veiksmingais ir neturinčiais šalutinių poveikių rytojaus vaistais.

 

HeLa ląstelės

Skanuojančiu elektroniniu
mikroskopu gautas
apoptotinės HeLa ląstelės
vaizdas

Paveikslas publikuojamas
leidus Nacionaliniams sveikatos
institutams (NIH)

HeLa ląstelės yra tam tikra žmogaus ląstelių linija. Jos buvo paimtos iš moters vardu Henrietta Lacks, kuri mirė nuo gimdos kaklelio vėžio 1951 m. Jos gydytojai išskyrė keletą jos naviko ląstelių ir ėmė jas sėkmingai auginti kultūrų terpėje, taip sukurdami pirmąją žmogaus ląstelių liniją. HeLa ląstelės yra plačiausiai naudojamos žmogaus ląstelės viso pasaulio biologinėse laboratorijose.

 

Tinkamų junginių pirminė paieška yra atliekama robotinių sistemų, kurios greitai patikrina ir nustato milijonus galimai veiksmingų cheminių junginių: jos paveikia vėžines ląsteles potencialiais vaistais ir stebi, ar ląstelės žūva, ar išgyvena. Tokiuose eksperimentuose surenkama tūkstančiai ar net milijonai ląstelių vaizdų, kuriuos tuomet reikia įvertinti pagal keletą parametrų – tokių kaip ląstelės būsena, ląstelinių komponentų išsiskyrimas, mitochondrijų pasiskirstymas, branduolių forma – ir suklasifikuoti pagal tai, koks buvo ląstelių atsakas į kiekvieną iš potencialių vaistų. Geriausias variantas, siekiant apdoroti tokius kiekius duomenų, būtų pritaikyti kompiuterius. Deja, jie nepakankamai gerai atskiria specifines struktūras : niekas to nedaro geriau nei žmogaus akis (Lostal et al, 2013a; 2013b)!

Štai čia jūs ir jūsų klasė gali padėti. Mokslininkams padėtų kiek galima daugiau savanorių, kurie jiems pagelbėtų atlikti vaizdų analizę ir padėtų kaip galima greičiau nustatyti potencialius naujus priešvėžinius vaistus. Jūsų mokiniai mokysis apie ląstelių žūtį, padėdami mokslininkams įvertinti HeLa ląstelių atsaką į skirtingus cheminius junginius.

Cell Spotting projektas

Cell Spotting (liet. Ląstelių stebėjimo) projekto komanda tiria daugiau kaip 14 000 cheminių junginių poveikį HeLa ląstelėms, jų reakcijoms stebėti taikydami pažangius optinės mikroskopijos metodus. HeLa ląstelių kultūros fotografuojamos kas pusvalandį trimis skirtingais kanalais: normalios šviesos, mėlynos ir žalios fluorescencijos (Lostal et al, 2013a; 2013b). Normalioje šviesoje matoma visos ląstelės forma, mėlynas fluorescencinis kanalas skirtas stebėti ląstelių branduoliams (jie nudažomi fluorochromu Hoechst 33342, kuris prisijungęs prie DNR spinduliuoja mėlyną šviesą), o žalioje šviesoje stebimos ląstelių mitochondrijos (kurios nudažytos fluorochromu MitoTracker). Apdorodami duomenis, gautus šiais trim kanalais, mokslininkai gali sukurti vaizdus su detalia informacija apie šiuos tris struktūrinius ląstelių elementus bei filmukus, kuriuose bėgant laikui matomas ląstelių judėjimas, dalijimasis ir žūtis. Per dieną nufotografuojama daugiau nei 4000 vaizdų, o kiekvienas eksperimentas iš viso turi apie 14112 vaizdų.

1 paveikslas. Gyvūninės ląstelės schemos palyginimas su HeLa ląstelės vaizdu
Paveikslas publikuojamas leidus Socientize

Stebėkite ląsteles ir padėkite kovoti su vėžiu savo klasėje

Ši užduotis skirta biologijos pamokoms mokiniams nuo 14 iki 18 metų, tačiau ją galite pritaikyti ir kitoms grupėms. Joje tyrinėjamos tokios temos kaip ląstelių dalijimasis, ląstelių žūtis, genetinis reguliavimas, vėžys ir biotechnologijos.

Užduotis padalinta į dvi dalis:

A) Cell Spotting tyrimų projekto tyrinėjimas ir konteksto išsiaiškinimas ir

B) Cell Spotting programėlės taikymas.

Priemonės

Užduočiai pravers šios pagalbinės priemonės

  • filmukasw1 kuriame pateikiamas Cell Spotting tyrimų projekto kontekstas,
  • didaktinis aprašasw2, kuriame pateikiamas galimas pamokos planas ir užduotys, skirtos atlikti su mokiniais,
  • mokytojo paketasw3, kuriame detaliai aprašytas mokslinis tyrimas, pateikiamas PowerPoint pristatymas ir trys trumpi filmukai apie HeLa ląsteles.

Darbo eiga

A) Cell Spotting projekto tyrinėjimas ir konteksto išsiaiškinimas.

Pirmojoje užduoties dalyje mokiniai turėtų taikyti tyrinėjimais grįstą mokymąsi, kad išsiaiškintų, apie ką šis mokslinis projektas ir kokie jo metodai.

1) Pažiūrėkite filmukąw1 „Socientize: Cell Images Experiment“ (liet. „Socientize: ląstelių vaizdų eksperimentas“), kad sužinotumėte apie šios užduoties kontekstą.

2) Peržiūrėkite didaktinį aprašąw2 ir suraskite atsakymus į šiuos klausimus:

  1. Ką José Villaras tiria savo moksliniame darbe?
  2. Kokias ląsteles jis naudoja?
  3. Kokius metodus jis taiko ląstelėms stebėti?
  4. Kokių rezultatų jis gali tikėtis naudodamis skirtingus cheminius junginius?
  5. Kokią ląstelių žūtį José Villaras nori sukelti ląstelėms? Kodėl?

Šiame etape gali būti pravartu nusibraižyti paprastą schemą, kaip parodyta 2 paveiksle.

3) Parodykite mokiniams, kaip atskirti apoptozę nuo nekrozės ir kaip nustatyti sveikas HeLa ląsteles nuo žūstančių ląstelių:

  1. Paprašykite savo mokinių išnagrinėti 5 paveikslą didaktiniame apraše ir nusibraižyti į 1 lentelę panašią lentelę, kurioje apibendrintų pagrindinius morfologinius skirtumus tarp dviejų žūties tipų: ląstelių tūrio skirtumus, branduolių kondensaciją ir galutinį rezultatą.
  2. Pažiūrėkite tris trumpus mokytojo paketo filmukus su trijų skirtingų būsenų HeLa ląstelėmis (sveikomis, apoptotinėmis ir nekrotinėmis). Paprašykite mokinių pagal morfologinius skirtumus nustyti, kokia ląstelės būsena pateikiama kiekviename iš filmukų.
2 paveikslas. Ląstelių stebėjimo eksperimento schemos pavyzdys
Paveikslas publikuojamas leidus Socientize

Dabar jūsų mokiniai pasiruošę padėti José įvertini HeLa ląstelių vaizdus!

  Apoptozė Nekrozė
1 lentelė. Lentelės pavyzdys, kuriame apibendrinami pagrindiniai morfologiniai skirtumai tarp apoptozės ir nekrozės
Ląstelės tūris Didėja Mažėja
Ląstelės branduolys Kondensuojasi, tuomet fragmentuojasi Tūris didėja
Turinio išsiskyrimas Ne (susidaro apoptotiniai kūneliai) Taip
Uždegiminis atsakas Ne Taip

B) Cell Spotting programėlės taikymas.

Cell Spotting programėlėw4 jums ir jūsų mokiniams suteikia galimybę įvertinti HeLa ląstelių vaizdus ir nusiųsti savo tyrimo rezultatus mokslininkų komandai. Programėlės sąsaja yra labai intuityvi, patogi naudotojui ir nepriklausoma, todėl kiekvienas gali lengvai ją pasiekti ir prisidėti prie tyrimų. Pirmą kartą įsijungus programėlę, rekomenduojame peržiūrėti pateikiamas informaciją, kuri paaiškina programėlės struktūrą, tikslus ir pagalbines priemones. Taip būsite tikri, kad žinote visas reikalingas detales, kai prisijungsite ir pradėsite stebėti ir žymėti ląsteles specifiniais ženklais.

3 paveikslas. Ląstelių žūties bruožai: apoptozė ir nekrozė
Paveikslas publikuojamas leidus Juliana Bortoletto

Kad atliktumėte kiekvieną užduotį, turėsite ta patį vaizdą įvertinti pagal keturis parametrus:

  • Ląstelių būsena (žuvusios ar gyvos)
  • Ląstelių turinio išsiskyrimas (ar iš ląstelių išsiskiria medžiaga, ar ne)
  • Mitochondrijų pasiskirstymas (ar mitochondrijos yra susitelkusios, ar pasklidusios visoje ląstelėje)
  • Kiti pastebėjimai (pvz., daugiabranduolės ląstelės, neįprasto dydžio ląstelės ar branduoliai)

1) Paprašykite savo mokinių prisijungti prie programėlės ir prisiregistruoti, kad jų indėlis neliktų anoniminis.

2) Su mokiniai ištyrinėkite programėlę ir tiksliai apibrėžkite, ką jie turėtų atlikti. Jei turite projektorių, tai galite padaryti atlikdami ląstelės vaizdo analizę kartu, projektuodami jį ant sienos.

4 paveikslas. Cell Spotting programėlė
Paveikslas publikuojamas leidus Socientize

Iš esmės ši programėlė sudaryta iš tokių elementų:

  • Mėlyna juosta (paveikslėlyje pažymėta A) viršuje, kurioje apibendrinama, ką turite padaryti, ir pateikiamos pagalbinės priemonės, padėsiančios atlikti užduotį:
    • specifinis klausimas, kurį reikia atsakyti,
    • trys skirtingi šviesos kanalai, kuriuos galite naudoti, kad peržiūrėtumėte specifines vaizdo detales: mėlyname matomi branduoliai, žaliame matomos mitochondrijos, o normaliame perdengiami mėlynas, žalias ir šviesaus lauko kanalai.
  • Filmukas, iš kurio buvo iškirptas kiekvienas vaizdas.
  • Papildoma informacija apie kiekvieną žingsnį.
  • Priega prie Vish, virtualaus mokslinio centro – edukacinės platformos, kurioje virtualiai galite aplankyti laboratoriją, kurioje vykdomas Cell Spotting projektas.
  • grįžtamojo ryšio apklausa.
  • tiesioginė nuoroda į didaktinę medžiagą.

Analizuojamas vaizdas pateikiamas B laukelyje (4 paveikslas). Po juo išdėstyti įvairūs ženklai, kuriais galite pažymėti ląsteles, taip nurodydami jų būseną (8 taškas 4 paveiksle). Taip pat galite pašalinti žymėjimą individualiai (10 taškas 4 paveiksle) arba pradėti viską iš naujo (11 taškas 4 paveiksle). Jei nesate tikri, kaip klasifikuoti kai kurias ląsteles, galite naudoti specifinį ženklą su klaustuku (9 taškas 4 paveiksle).

C laukelyje pateikiamas pavyzdžių rinkinys su klasifikuojamų ląstelių tipais.

Galiausiai, po analizuojamu vaizdu pateikiama pažangos juosta su keturiais parametrais, kuriuos turėsite įvertinti kiekvienai užduočiai (D laukelis 4 paveiksle). Kiekvieną kartą, kai pabaigiate analizuoti parametrą, turite spragtelėti rodyklę pažangos juostos dešinėje, kad pereitumėte prie kito parametro. Įvertinus visus keturis parametrus, atsiras piktograma, kad užbaigtumėte užduotį. Po to automatiškai pateikiamas naujas vaizdas ir analizę galite pradėti iš naujo.

PASTABA: Mokytojo pakete yra instrukcija, kaip pradėti darbą su Cell Spotting programėle. Analizė yra labai paprasta ir jūsų mokiniai ją tikriausiai atliks lengvai.

3) Leiskite savo mokiniams pažaisti su programėle ir laisvai prisidėti prie vaizdų analizės. Pasakykite jiems, kad jie gali prisijungti ir iš namų.

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 – Pažiūrėkite „Socientize: Cell Images Experiment“ (liet. „Socientize: ląstelių vaizdų eksperimentas“) filmuką Ibercivis Ciencia YouTube kanale:
  • w2 – Download the didactic unit for the Cell Spotting activity:
  • w3 – Mokytojo pakete Cell Spotting užduočiai pateikiami išsami informacija apie tiriamąjį projektą, Cell Spotting instrukcija, mokomosios medžiagos variantas su atsakymais ir trys trumpi filmukai su skirtingos būklės HeLa ląstelėmis. Jį galite parsisiųsti čia:
  • w4 – Imkitės Cell Spotting programėlės arba prisijungte prie jos per Socientize svetainę.

Resources

  • Daugiau informacijos apie ES finansuojamą projektą Socientize pateikiama jo oficialioje svetainėje. Ten rasite ir kitų bendruomeninių mokslo projektų, prie kurių galite prisidėti.
  • Visa informacija apie bendruomeninius mokslo projektus, remiamus Socientize, pateikiama oficialioje Ibercivis projekto svetainėje.
  • Kita su vėžiu susijusi mokomoji užduoti pateikiama čia:

Author(s)

António Monteiro yra biologas, turintis biologijos ir geologijos mokymo magistro laipsnį. Jis aktyviai dalyvauja benduomeniniame FP7 mokslo projekte „Socientize – Society as e-Infrastructure through technology, innovation and creativity“ (liet. „Socientize – bendruomenė kaip e-infrastrūktūra per technologijas, inovacijas ir kūrybiškumą“). Nuo 2009 m. jis dirba Coimbra universiteto Mokslo muziejuje Portugalijoje parodų gidu ir interaktyvių edukacinių eksponatų kūrėju, daugiausiai Tyrėjų nakties renginiams. Jis taip pat užsiima muziejaus reklama socialinėse medijose.

Cândida G. Silva baigė matematikos ir informatikos studijas ir turi chemoinformatikos daktaro laipsnį. Per pastaruosius ketverius metus, ji buvo aktyvi dviejų bendruomeninių mokslo ir skaičiavimo savanorių kompiuteriuose projektų bendradarbė: ibercivis.net ir socientize.eu. Jos dabartiniai moksliniai interesai susiję su sistemos mokymusi, duomenų išgavimu, vaistų kūrimu, bendruomeniniu mokslu, e-mokslu, skaičiavimu savanorių kompiuteriuose ir duomenų saugyklomis.

Dr. José Carrodeguas Villar yra Zaragozos universiteto Bioinformatikos ir sudėtingų sistemų fizikos instituto (BIFI) Ispanijoje mokslinis darbuotojas. Jis vadovauja mokslinei grupei, kuri tyrinėja apoptozę vėžiniuose procesuose, imuninėje sistemoje, nervinėje sistemoje ir kitose sistemose. Jis taip pat yra pagrindinis Cell Spotting eksperimento tyrėjas ir aktyviai dalyvauja bendruomeniniuose Socientize ir Ibercivis mokslo projektuose bei veiklose.

Šią užduotį pasiūlė Socientize projektas, finansuojamas Europos sąjungos Septintosios bendrosios programos pagal RI-312902 kontraktą.


Review

Šiame straipsnyje aprašoma mokiniams skirta užduotis, kuri supažindina su efektyvių priešvėžinių vaistų koncepcija ir tuo, kaip tiriami skirtingi junginiai, siekiant įvertinti, ar jie efektyviai žudo vėžines ląsteles. Tuomet mokiniams pateikiama mokomoji užduotis, kurioje jie sužino apie HeLa ląsteles ir kaip jos auginamos su išgrynintais junginiais, tikrinant tų junginių poveikį vėžinėms ląstelėms. Nagrinėdami vaizdinius pavyzdžius, jie sužino ir apie apotozę bei nekrozę.

Tuomet mokiniams pristatomas Cell Spotting mokslinis projektas, kuris suteikia galimybę dalyviams įvertinti ląsteles ir prisidėti prie projekto pateikiant savo analizę.

Kiekvienam projekto žingsniui pateikiami aiškūs nurodymai ir aiškinamoji medžiaga, kuri padės mokiniams pritaikyti savo žinias ir prisidėti prie projekto.


Dr Shaista Shirazi, Jungtinė Karalystė




License

CC-BY-NC-SA