Para peneliti telah mengembangkan metode inovatif yang disebut Zman-seq untuk melacak perubahan sel tunggal di dalam tubuh dari waktu ke waktu. Metode ini, yang menandai sel dengan stempel waktu, telah secara signifikan meningkatkan pemahaman kita tentang dinamika sel, khususnya dalam memahami penyakit seperti glioblastoma. Kemampuan Zman-seq untuk menelusuri sejarah dan urutan perubahan molekuler dan seluler menawarkan perspektif baru dalam studi sistem biologis yang kompleks dan membuka jalan bagi pengembangan terapi yang lebih efektif untuk kanker dan kelainan lainnya.
Teknik yang dikenal sebagai Zman-seq mengungkap sejarah sel, sehingga berpotensi mendorong terciptanya pengobatan inovatif untuk kanker dan berbagai penyakit lainnya.
Sementara fisikawan terus memperdebatkan pernyataan Albert Einstein bahwa waktu adalah ilusi, para ahli biologi yakin akan pentingnya waktu dalam memahami kehidupan sebagai sistem yang dinamis. Baru-baru ini, para ahli biologi telah memperdalam pemahaman mereka tentang sistem biologis yang rumit. Mereka mencapai hal ini dengan menggunakan alat-alat canggih yang memungkinkan analisis data seluler dan molekuler dalam jumlah besar, dan dengan memeriksa jaringan seluler yang bertanggung jawab atas penyakit. Namun, penyelidikan mendalam tentang bagaimana sel berperilaku dan berinteraksi hanya memberikan gambaran terpisah. tentang apa yang terjadi di dalam organisme kompleks, tanpa memperhitungkan dimensi waktu dan mengungkap urutan peristiwa seluler.
Sekarang, dalam sebuah penelitian baru yang baru-baru ini diterbitkan di Selpeneliti dari laboratorium Prof. Ido Amit di Weizmann Institute of Science untuk pertama kalinya berhasil mengembangkan metode untuk melacak dan mengukur perubahan dari waktu ke waktu pada sel tunggal di dalam tubuh. Metode tersebut disebut Zman-seq (dari kata Ibrani priauntuk “waktu”), terdiri dari pelabelan sel dengan stempel waktu berbeda dan melacaknya dalam jaringan sehat atau patologis.
Dengan menggunakan mesin waktu seluler ini, para peneliti dapat mengetahui sejarah sel dan berapa lama setiap sel berada di dalam jaringan, sehingga pada akhirnya mencapai pemahaman tentang perubahan temporal molekuler dan seluler yang terjadi di dalam jaringan tersebut.
Kemajuan dan Keterbatasan Teknologi Sel Tunggal
Teknologi sel tunggal, alat yang memungkinkan para ahli biologi memahami apa yang terjadi di dalam sel individual, telah mengalami kemajuan yang signifikan dalam beberapa tahun terakhir, sebagian besar berkat komunitas penelitian sel tunggal yang dinamis, dimana laboratorium Amit adalah salah satu pionirnya. Dengan alat-alat ini, kini kita dapat memperoleh gambar beresolusi tinggi tentang bagaimana penyakit berkembang dan bagaimana tubuh merespons terhadap obat-obatan yang berbeda, untuk mengidentifikasi populasi sel yang langka, menguraikan sel mana yang berinteraksi satu sama lain dan bagaimana mereka didistribusikan secara spasial dalam suatu jaringan. Namun, semua wawasan penting ini setara dengan mendapatkan banyak gambar diam dari sebuah film dan mencoba memahami alur ceritanya. “Mengetahui apa yang mendahuluinya tidak cukup untuk menyimpulkan hubungan sebab dan akibat, namun tanpa pengetahuan ini, kita tidak memiliki kesempatan untuk memahami apa penyebabnya dan apa akibatnya,” kata Amit.
Perkembangan teknologi baru yang inovatif ini dimulai dengan penelitian Dr. Daniel Kirschenbaum, seorang peneliti pascadoktoral di laboratorium Amit. Kirschenbaum lahir di Hongaria dan meraih gelar PhD di bidang neuropatologi di Swiss, tempat ia mempelajari glioblastoma, tumor otak yang paling umum dan agresif. “Kita biasanya menganggap kanker sebagai sel yang tumbuh di luar kendali, namun kenyataannya, kanker juga merupakan hilangnya kemampuan tubuh, dan khususnya sistem kekebalan tubuh, untuk mengendalikan pertumbuhan ini,” katanya. “Dan ketika Anda melihat tumor, sebagian besar darinya terdiri dari sel-sel kekebalan yang tidak berfungsi, yang kadang-kadang merupakan sepertiga atau bahkan setengah dari seluruh sel dalam tumor.”
Glioblastoma adalah salah satu jenis tumor yang paling menekan kekebalan tubuh. “Untuk memahami cara mengalahkan kanker ini, kita perlu memahami apa yang terjadi pada sel-sel kekebalan saat mereka memasuki tumor dan mengapa sel-sel tersebut kehilangan kapasitas untuk melawan tumor dan menjadi tidak berfungsi,” jelas Kirschenbaum. “Idealnya, kita ingin memiliki jam kecil di setiap sel yang memberi tahu kita kapan sel tersebut memasuki tumor dan kapan sinyal serta pos pemeriksaan yang memerintahkan sel menjadi tidak kompeten diaktifkan. Mesin waktu yang kembali ke masa depan ini dianggap mustahil untuk dikembangkan.”
Terobosan terjadi ketika Kirschenbaum memutuskan untuk mengambil pendekatan yang luar biasa. “Daripada mencoba mengukur waktu dalam sel-sel di dalam jaringan tumor, kami memutuskan untuk mencoba menandai sel-sel tersebut saat mereka masih berada di dalam darah – sebelum mereka memasuki tumor. Dengan menggunakan pewarna fluoresen yang berbeda pada titik waktu yang berbeda, nantinya kita dapat mengetahui secara pasti kapan setiap sel memasuki jaringan dan berapa lama sel tersebut berada di sana, dan hal ini mengungkap perubahan dinamis yang terjadi pada sel-sel di dalam jaringan, misalnya apa. adalah tahap-tahap berbeda di mana sel-sel kekebalan menjadi tidak berfungsi di dalam tumor.”
Metodologi dan Wawasan dari Zman-seq
Tantangannya, tambah Kirschenbaum, adalah mengembangkan cara optimal untuk mewarnai sel-sel dalam darah pada titik waktu tertentu, memastikan pewarna tidak mencapai jaringan itu sendiri atau bertahan terlalu lama di dalam darah, sehingga berpotensi tercampur dengan pewarna berikutnya. Pada saat yang sama, pewarna harus bertahan di sel cukup lama agar dapat diukur. Sebagai bagian dari penelitian, para peneliti di laboratorium Amit menunjukkan bahwa metode ini memungkinkan pengukuran waktu dalam sel kekebalan di berbagai jaringan – otak, paru-paru, dan sistem pencernaan model hewan.
Dengan menggunakan Zman-seq, Kirschenbaum dan rekan-rekannya dapat memperoleh wawasan mengapa sistem kekebalan tubuh sangat tidak berfungsi dalam melawan glioblastoma. “Sebagai contoh, kami menunjukkan bahwa sel-sel kekebalan yang disebut sel pembunuh alami, yang sesuai dengan namanya, sangat penting untuk membunuh sel-sel jahat, menjadi tidak berfungsi dengan sangat cepat karena tumor membajak mekanisme pembunuhan mereka – dan ini terjadi dalam waktu kurang dari 24 jam setelah sel-sel tersebut mati. masuk ke dalam tumor. Hal ini menjelaskan mengapa upaya terapeutik untuk memanfaatkan sistem kekebalan untuk melawan glioblastoma sangat tidak efektif,” kata Kirschenbaum.
Anggota laboratorium Amit lainnya di Departemen Sistem Imunologi Weizmann, termasuk Dr. Ken Xie dan Dr. Florian Ingelfinger, berkontribusi pada pengembangan Zman-seq. Kolaboratornya antara lain ahli imunologi Prof. Marco Colonna dari Washington University, Prof. Katayoun Rezvani dari University of Texas, Prof. Florent Ginhoux dari Shanghai Institute of Immunology, ahli neuroonkologi Dr. Tobias Weiss dari University Hospital Zurich, dan ahli biologi komputasi Prof. Fabian J .Theis dari Helmholtz Center Munich dan Prof. Nir Yosef dari Weizmann Institute.
Kini, para peneliti di laboratorium Amit sedang mengembangkan cara untuk memblokir pos pemeriksaan tumor yang menonaktifkan kekebalan tubuh untuk mengaktifkan kembali sistem kekebalan pada glioblastoma dan tumor lain yang sulit diobati. Selain itu, mereka berencana untuk mengadaptasi Zman-seq untuk mempelajari dinamika temporal sel di seluruh tubuh manusia. “Misalnya, banyak pasien kanker yang mendapatkan terapi sebelum operasi. Kami ingin menggunakan metode ini untuk mewarnai sel kekebalan dalam tubuh selama periode tersebut sehingga setelah operasi, kami dapat lebih memahami dinamika sel kekebalan pada tumor dan mengoptimalkan perawatan pasien,” tambah Kirschenbaum.
“Hingga saat ini, ada beberapa metode berbeda yang mencoba menganalisis data sel tunggal dan menyusunnya sepanjang sumbu waktu berdasarkan parameter berbeda. Namun pendekatan-pendekatan ini agak sewenang-wenang dalam memilih rangkaian kejadiannya,” kata Amit. “Zman-seq memberikan ‘fakta nyata’, yaitu pengukuran empiris yang memungkinkan para ilmuwan memahami urutan peristiwa yang dialami sel-sel kekebalan dan sel-sel lain ketika mereka memasuki tumor, dan ini mungkin mengarah pada pemikiran yang benar-benar baru tentang cara menghasilkan tumor. terapi yang lebih efektif untuk kanker dan gangguan lainnya.”
Referensi: “Transkriptomik sel tunggal yang diselesaikan dengan waktu menentukan lintasan kekebalan pada glioblastoma” oleh Daniel Kirschenbaum, Ken Xie, Florian Ingelfinger, Jonathan Katzenelenbogen, Kathleen Abadie, Thomas Look, Fadi Sheban, Truong San Phan, Baoguo Li, Pascale Zwicky, Ido Yofe , Eyal David, Kfir Mazuz, Jinchao Hou, Yun Chen, Hila Shaim, Mayra Shanley, Soeren Becker, Jiawen Qian, Marco Colonna, Florent Ginhoux, Katayoun Rezvani, Fabian J. Theis, Nir Yosef, Tobias Weiss, Assaf Weiner dan Ido Amit , 21 Desember 2023, Sel.
DOI: 10.1016/j.cell.2023.11.032
Penelitian Prof Ido Amit didukung oleh Dwek Institute for Cancer Therapy Research; Pusat Kanker Terpadu Moross; Institut Imunologi Manusia Morris Kahn; Institut Penelitian Pencegahan Kanker Masyarakat Swiss; Yayasan Keluarga Elsie dan Marvin Dekelboum; Institut Penelitian Diagnosis Kanker EKARD; Lotte dan John Hecht Memorial Foundation dan Program Sains Kolaboratif Schwartz Reisman.
Prof Amit adalah petahana Ketua Profesor Eden dan Steven Romick.
