اندازه‌گیری دانسیته‌ی (چگالی) سلول اطلاعات زیادی درباره وضعیت آن سلول ارائه می‌دهد. هنگامی که سلول‌ها تکثیر می‌شوند، تمایز می‌یابند یا دچار مرگ سلولی می‌شوند، ممکن است آب یا مولکول‌های دیگر را از دست بدهند یا به‌دست آورند که این تغییرات از طریق تغییر چگالی سلول قابل مشاهده است.
رهگیری این تغییرات جزئی در ویژگی‌های فیزیکی سلول، به‌ویژه در مقیاس وسیع و با دقت در سطح تک‌سلولی، بسیار دشوار است. اما تیمی از پژوهشگران MIT اکنون روشی برای اندازه‌گیری سریع و دقیق چگالی سلول ارائه داده‌اند که می‌تواند تا ۳۰٬۰۰۰ سلول را در یک ساعت اندازه‌گیری کند.
این پژوهشگران همچنین نشان داده‌اند که تغییرات چگالی می‌تواند به پیش‌بینی‌های ارزشمندی منجر شود؛ از جمله اینکه آیا سلول‌های ایمنی مانند سلول‌های T فعال شده‌اند تا تومورها را از بین ببرند یا اینکه آیا سلول‌های توموری نسبت به دارویی خاص حساس هستند یا نه.
اسکات منالیس (Scott Manalis)، استاد مهندسی در گروه‌های مهندسی زیستی و مهندسی مکانیک MIT و عضو مؤسسه تحقیقات سرطان کخ، در این‌باره می‌گوید: “همه این پیش‌بینی‌ها بر پایه‌ی بررسی تغییرات بسیار کوچک در ویژگی‌های فیزیکی سلول‌ها انجام می‌شود، که می‌تواند نشان دهد سلول‌ها چگونه واکنش خواهند داد.”
اندازه‌گیری چگالی
هنگامی که سلول‌ها وارد حالت‌های جدیدی می‌شوند، محتوای مولکولی آن‌ها، از جمله لیپیدها، پروتئین‌ها و اسیدهای نوکلئیک، ممکن است با تراکم بیشتر یا کمتر تجمع یابد. چگالی سلول، نمایی غیرمستقیم از این تراکم مولکولی ارائه می‌دهد.
تکنیک جدید اندازه‌گیری چگالی که در این مطالعه گزارش شده، بر اساس دو دهه پژوهش منالیس در زمینه فناوری‌های اندازه‌گیری سلول‌ها و ذرات ریز توسعه یافته است. در سال ۲۰۰۷، آزمایشگاه او یک ابزار میکروسیالی موسوم به «رزوناتور میکروکانال معلق ( Suspended Microchannel Resonator – SMR ) را طراحی کرد؛ این ابزار شامل یک میکروکانال درون یک تیرک سیلیکونی ارتعاشی است که با فرکانسی خاص نوسان می‌کند. با عبور سلول از این کانال، فرکانس نوسان کمی تغییر می‌کند و این تغییر برای محاسبه جرم سلول استفاده می‌شود.
در سال ۲۰۱۱، این گروه روش را به‌گونه‌ای اصلاح کرد که بتوان چگالی سلول را نیز اندازه‌گیری کرد. برای این کار، سلول‌ها دو بار از دستگاه عبور داده می‌شوند: یک‌بار در مایعی با چگالی مشخص و بار دوم در مایعی با چگالی متفاوت. جرم شناور (buoyant mass) سلول در هر مایع، تابعی از جرم مطلق و حجم آن است؛ بنابراین با اندازه‌گیری دو جرم شناور مختلف، می‌توان جرم، حجم و چگالی سلول را محاسبه کرد.
اگرچه این روش دقیق است، اما تعویض مایعات و عبور دوباره سلول‌ها زمان‌بر است و در نتیجه تنها برای اندازه‌گیری صدها سلول قابل استفاده است.
برای افزایش سرعت و کارایی، پژوهشگران دستگاه SMR را با میکروسکوپ فلورسانس ترکیب کردند. این میکروسکوپ در ابتدای ورودی رزوناتور قرار دارد و سلول‌ها در مایعی حاوی رنگ فلورسانس که توسط سلول جذب نمی‌شود، شناورند. با عبور سلول‌ها از میدان دید میکروسکوپ، افت شدت فلورسانس به‌صورت لحظه‌ای ثبت شده و حجم سلول محاسبه می‌شود.
پس از آن، سلول وارد رزوناتور شده و جرم آن اندازه‌گیری می‌شود. این فرآیند سریع امکان محاسبه چگالی سلول را فراهم کرده و امکان اندازه‌گیری تا ۳۰٬۰۰۰ سلول در ساعت را می‌دهد.
نویسنده اول مقاله Wu (وو) توضیح می‌دهد: “به‌جای اینکه سلول را دو بار از تیرک عبور دهیم، سعی کردیم روش ساده‌تری طراحی کنیم که با یک‌بار عبور، چگالی سلول محاسبه شود. از طریق جرم و حجم سلول، می‌توانیم چگالی آن را به‌دست آوریم، بدون اینکه از دقت یا سرعت بکاهیم.”
ارزیابی سلول‌های T
این گروه تحقیقاتی از روش جدید خود برای بررسی تغییرات چگالی سلول‌های T پس از فعال‌سازی توسط مولکول‌های سیگنال‌دهنده استفاده کرد.
آن‌ها دریافتند که سلول‌های T در مسیر انتقال از حالت غیرفعال به حالت فعال، علاوه بر جذب مولکول‌های جدید، آب نیز جذب می‌کنند. از روز صفر تا روز اول پس از فعال‌سازی، چگالی سلول‌ها از میانگین ۱٫۰۸ گرم بر میلی‌لیتر به ۱٫۰۶ کاهش یافت؛ این یعنی تراکم مولکولی کاهش یافته است زیرا آب بیشتر از سایر مولکول‌ها جذب شده است.
وو می‌گوید: “این یافته‌ها نشان می‌دهد چگالی سلولی احتمالاً بازتابی از افزایش محتوای آب سلولی است، در شرایطی که سلول از حالت سکون و غیرتقسیمی به وضعیت رشد بالا می‌رسد. این داده‌ها نشان می‌دهند که چگالی سلولی می‌تواند یک نشانگر زیستی (biomarker) جالب توجه باشد که در زمان فعال‌سازی سلول‌های T تغییر می‌کند و احتمالاً به عملکرد تکثیری آن‌ها مرتبط است.”
شرکت Travera که در مرحله بالینی فعالیت دارد و توسط منالیس بنیان‌گذاری شده، از اندازه‌گیری جرم توسط SMR برای پیش‌بینی پاسخ سلول‌های T بیماران سرطانی به داروهای تحریک‌کننده سیستم ایمنی استفاده می‌کند. این شرکت همچنین از تکنیک اندازه‌گیری چگالی بهره می‌برد. مطالعات اولیه نشان می‌دهند ترکیب جرم و چگالی پیش‌بینی دقیق‌تری نسبت به استفاده از هرکدام به‌تنهایی ارائه می‌دهد.
منالیس می‌گوید: “هم جرم و هم چگالی اطلاعات مهمی درباره توانمندی سلول‌های ایمنی ارائه می‌دهند.”
پیش‌بینی پاسخ تومورها
کاربرد دیگر این روش، پیش‌بینی پاسخ سلول‌های توموری به انواع داروهای ضدسرطان است. منالیس در مطالعات قبلی نشان داده بود که بررسی تغییرات جرم سلول پس از درمان می‌تواند نشانگر وقوع آپوپتوز (مرگ برنامه‌ریزی‌شده سلول) باشد. در این مطالعه، مشخص شد که چگالی نیز می‌تواند این پاسخ را نشان دهد.
در این آزمایش‌ها، سلول‌های سرطان پانکراس با دو داروی مختلف (یکی مؤثر و دیگری بی‌اثر) تیمار شدند. تغییرات چگالی سلول‌ها پس از درمان با داروی مؤثر، به‌وضوح پاسخ آن‌ها به درمان را منعکس کرد.
وو می‌گوید: “ما از سلول‌ها اطلاعاتی دریافت می‌کنیم که در همان یکی دو روز نخست پس از استخراج از تومور، بسیار پیش‌بینی‌کننده هستند. چگالی سلولی یک نشانگر سریع برای پیش‌بینی پاسخ دارویی (in vivo) است.”
آزمایشگاه منالیس اکنون روی استفاده از اندازه‌گیری‌های جرم و چگالی برای ارزیابی «سلامت» سلول‌هایی کار می‌کند که برای تولید پروتئین‌های پیچیده مانند آنتی‌بادی‌های درمانی استفاده می‌شوند.
وو می‌افزاید: «در حین تولید این پروتئین‌ها توسط سلول‌ها، می‌توانیم با تحلیل این نشانگرهای مربوط به وضعیت متابولیکی و سلامت سلول، پیش‌بینی کنیم که آن‌ها چقدر در تولید مؤثر هستند و در آینده شاید بتوانیم طراحی و کنترل تولید را بهبود دهیم تا بازدهی پروتئین‌های پیچیده را افزایش دهیم.»
منبع:
High-throughput single-cell density measurements enable dynamic profiling of immune cell and drug response from patient samples. Nature Biomedical Engineering, 2025; DOI: 10.1038/s41551-025-01408-6
تهیه و تنظیم: سید طه نوربخش
نظارت و تأیید: فائزه محمدهاشم-متخصص ژنتیک
