PRETOČNA CITOMETRIJA - Univerza v Ljubljani
Transcription
PRETOČNA CITOMETRIJA - Univerza v Ljubljani
UNIVERZA V LJUBLJANI FAKULTETA ZA MATEMATIKO IN FIZIKO ODDELEK ZA FIZIKO PRETOČNA CITOMETRIJA Seminar pri Medicinski fiziki Izidor Tušek Mentor: dr. Vojko Jazbinšek Železniki 4.4.2014 Citometrija – metoda za karakterizacijo in merjenje lastnosti celic in celičnih komponent. 1 Kazalo vsebine 1. Uvod..................................................................................................................................................................................... 3 2. Zgodovinski razvoj ........................................................................................................................................................... 3 3. Fizikalno ozadje................................................................................................................................................................. 4 4. Shema optičnega pretočnega citometra ...................................................................................................................... 7 5. Področja uporabe.............................................................................................................................................................. 8 6. Viri ........................................................................................................................................................................................ 9 2 1. Uvod Pretočna citometrija se največ uporablja za analizo hematopoetskih celic ter razlikovanje med levkocitnimi populacijami in subpopulacijami, kar imenujemo imunofenotipizacija . Krvne celice in celice imunskega sistema se analizira in se jim meri antigenske in fizikalne lastnosti. Metoda se uporablja predvsem v diagnostiki in spremljanju levkemij, limfomov, imunskih pomanjkljivosti, okužb z virusom HIV in drugih imunsko pogojenih bolezni [6]. Slika 1: Princip pretočne citometrije [5] 2. Zgodovinski razvoj Razvoj pretočne citometrije sega v 40. Leta 20 stoletja, ko je Wallace Coulter razvijal napravo za štetje celic. Za detekcijo celic v prevodni tekočini je uporabil električno upornost. Upornost celic se namreč razlikuje od upornosti prevodne tekočine, ki celice obdaja. Zaradi tega se padec napetosti ,ki jo prikaže merilnik spremeni vsakič ko skozi kapilaro, ki ima presek takšen da omogoča hkraten prehod samo ene celice, potuje celica. Iz spremembe napetosti lahko ugotovimo tudi velikost celice, večja če je sprememba napetosti večja je celica. Za štetje celic se lahko uporabi tudi dejstvo, da je dielektrična konstanta celice εC razlikuje od dielektrične konstante obdajajoče tekočine εT . Če imamo tok tekočine s celicami se nam vedno, ko celica pride v kondenzator spremembo kapacitivnosti le-tega. Sprememba kapacitivnosti pa je odvisna od velikosti celice, saj imajo vse celice približno enak εC [1]. Slika 2: Princip štetja celic - Coulter 3 Razvoj citometrov se je nadaljeval v 60. letih 20. Stoletja. Citometer s sposobnostjo ločevanja celic je v reviji Science leta 1965 objavil Mack Fulwyler. Decembra leta 1968 je Wolfgang Göhde iz univerze v Munstru patentiral prvi pretočni citometer z merjenjem fluorescence [4]. Do danes pa so razvili cenene citometre , ki uporabljajo kamero mobilnega telefona za detekcijo [7]. Slika 3: Mobilni telefon kot preprost citometer [7] 3. Fizikalno ozadje Za analizo celic uporabljamo sipanje svetlobe na celici in njenih notranjih strukturah. Laserski žarek pada na kapilaro citometra po kateri se nosilna tekočina vzorca, v njeni sredini pa vzorčne celice. Ko celica preseka pot žarku se svetloba na njej siplje. Z dvema detektorjema merimo intenziteto naprej sipane svetlobe (angl. Forward scatter count oz. FSC – sipanje pri majhnih kotih) in vstran sipane svetlobe (angl. Side scatter count oz. SSC – sipanje pri velikih kotih). S prvim detektorjem dobimo informacijo o velikosti celic, z drugim pa zrnatost. Bolj ko so celice zrnate večja je intenziteta signala. Kot rezultat meritve dobimo histogram ali pa točkovni diagram.[2] Osvetljevanje se izvede z laserjem. Lahko se uporablja en ali več laserjev. Laserski žarek potuje skozi leče, ki ga oblikujejo v elipso širine približno 10-20 µm v smeri toka in dolžine 60 µm prečno na tok vzorca. To nam zagotovi, da je enakomerno osvetljena samo ena celica [4]. Sipanje pri majhnih kotih: Sipanje zaradi uklona svetlobe zazna prednji detektor sipanja, ki direktno nakazuje velikost celice. Sipanje na celici lahko opišemo z Miejevo teorijo sipanja pri 4 osvetljevanju z monokromatskim ravnim valom. Za osvetljevanje celic se največkrat uporabljajo laserji valovnih dolžin vidne svetlobe (400 – 700 nm), velikost celicnih struktur in je od 10 nm do 10µm. Slika : Sipana svetloba se pretvori v elektronske signale , ki se lahko obdelujejo z računalnikom [8] Največji vpliv na intenziteto naprej sipane svetlobe imajo sipalci veliko večjih dimenzij od valovne dolžine vpadnega žarka. Pojav lahko primerjamo z uklonom na okrogli reži, kjer dobimo prvi minimum intenzitete sipane svetlobe pri kotu [9]: min = 1,22 kjer je b velikost sipalca, λ pa valovna dolžina vpadne svetlobe. Pri kotih večjih od βmin je sipanje zanemarljivo tako, da merimo pri konstantnem sipalnem kotu. Intenziteta izmerjene svetlobe je sorazmerna z velikostjo in lomnega količnika celice na kateri sipa. Lomni količnik živih celic je približno enak in ne uplivaa bistveno na signal. Lomni količnik mrtvih celic pa je podoben lomnemu količniku nosilne tekočine. Glede na to, da pri pretočni citometriji skoraj vse celice preživijo, mrtve celice nimajo močnega vpliva na rezultat [4]. Celična struktura Citoplazma Jedro Mitohondrij Melanin (barvilo v koži in laseh) Lomni količnik 1,36 – 1,375 1,38 – 1,41 1,38 – 1,41 1,6 – 1,7 Lomni količniki različnih struktur Sipanje pri velikih kotih (90°): Sipanje zaradi odboja zazna stranski detektor, ki kaže granuliranost in nepravilnost celične površine. Največji vpliv na intenziteto signala imajo 5 sipalci, ki so majhnih dimenzij v primerjavo z vpadno valovno dolžino žarka. Sipanje lahko opišemo z Rayleighovo teorijo sipanja, ki velja za delce velikosti b < . σs = ( )2 [11] Pri čemer je nb lomni količnik medija, nrel pa je relativni lomni količnik delca, nrel = ns/nb n ns pa je lomni količnik delca. Iz Enačbe se vidi, da svetloba krajših valovnih dolžin močneje siplje, σs pa tudi odvisna od velikosti delca.. S pomočjo Rayleighovega sipanja obravnavamo sipanje sipanje svetlobe na ribosomih in membranah. Intenziteta pa nam pove število sipalcev oz. kompleksnost celične strukture [4] . Slika 4: sipanje svetlobe na celici [10] Slika 4: Celične subpopulacije glede na sipanje pri majhnih in velikih kotih [10] Fluorescenca: Pojav pri katerem molekula pri absorbciji fotona preide iz osnovnega v vzbujeno stanje imenujemo fluorescenca [3]. Vpadni foton mora imeti energijo, ki je enaka energijski razliki med osnovnim in vzbujenim stanjem hν = δE kjer je h Planckova konstanta (h=6,626 x 10 -34 Js), ν pa frekvenca fotona ( c = λν ). Molekula vzbujenega stanja ne ohrani dolgo in se hitro vrne v osnovno stanje, pri tem pa izseva foton, ki pa ima manjšo energijo in daljšo valovno dolžino kot vpadni. Razlika med valovnima energijama je Stokesov premik. [5] 6 4. Shema optičnega pretočnega citometra Pretočni citometer vsebuje kapilarno cevko po kateri potujejo posamezne celice obdane s tekočino. Z laserjem svetimo na te celice in z detektorji merimo sipanje laserske svetlobe na celicah v smeri naprej in v stran pod kotom 90°. S temi meritvami pridobimo informacije o velikosti celice (sipanje naprej), notranji granulaciji (sipanje vstran) in podatke o kemični sestavi celice (flourescenca). Z nekaterimi citometri lahko tudi fizično ločimo celice. Slika 5: Shema pretočnega citometra [12] Glavni deli pretočnega citometra so: - Pretočna celica Slika 6: hidrodinamsko fokusiranje v pretočni celici [6]x - Vir svetlobe Zbiralna optika Detektorji Sortirnik celic 7 Slika 7: Sortiranje celic [1] - Računalnik V pretočni celici dosežemo tok posameznih celic hidrodinamskim fokusiranjem. [6] V pretočni celici s premerom okoli 200 µm se pretaka fiziološka raztopina, v središče pa vbrizgavamo tekočino s celicami. Tekočini se pri določenem premeru in hitrosti pretoka ne mešata, premer vzorca pa je okoli 20 µm. Na sekundo lahko analiziramo tudi več kot 10 3 celic. Celice osvetljujemo z laserjem preko fokusirnih leč, tako da je osvetljena samo ena celica. Sipano svetlobo detektiramo z detektorjema za v stran sipano svetlobo in sipano v smeri vpadnega žarka. V stran sipano svetlobo usmerimo na zaporedje dikroičnih zrcal, ki odbijajo svetlobo do neke določene valovne dolžine, ostalo pa prepustijo. Sipana svetloba ne spremeni valovne dolžine flourescentnemu odzivu se pa podaljša valovna dolžina . S pravilno izbranimi zrcali razdelimo svetlobo na komponente in jo ojačimo s fotopomnoževalkami. [2] 5. Področja uporabe Pretočna citometrija je uporabna na zelo različnih področjih, kjer je potrebna celična analiza, od molekularne biologije, medicine, farmacije, pa do kmetijstva in živilske tehnologije. Prek analize genetskega materiala jedru celice lahko opazujemo odziv organizma na zdravilne učinkovine, kar največ uporabljajo v farmacevtski industriji pri testiranju novih izdelkov. Molekulska pretočna citometrija se uporablja za karakterizacijo posameznih molekul . S to metodo se detektirajo in karakterizirajo bakterijske celice pri kontroliranju kvalitete hrane in pijače. 8 6. Viri [1] Flow cytomety, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Flow_cytometry [2] http://sl.wikipedia.org/wiki/Preto%C4%8Dna_citometrija [3] Introduction to Flow Cytometry: A Learning Guide, http://www.stemcell.umn.edu/prod/groups/med/@pub/@med/documents/asset/med_80691.p df [4] Pretočna citometrija, Nina Turk seminar: http://wwwf9.ijs.si/~krizan/sola/seminar/1112/turk.pdf [5]Flourescence flow cytometry in haematology, http://www.sysmex.ru/files/articles/Xtra_online_Flourescence_flow_cytometry_in_haematology. pdf [6] http://studentski.net/get/ulj_ffa_lb1_bma_vaj_pretocna_citometrija_01__gradivo.pdf [7] http://www.medgadget.com/2013/04/scientists-convert-a-cell-phone-camera-to-afluorescent-microscope.html [8] http://www.ebah.com.br/content/ABAAAfhdIAG/flow-cytometry-bd-biosciences-2000 [9] Janez Strnad, Fizika 2. del: Elektrika, optika, Ljubljana, DMFA, 1995 [10] http://medicine.umich.edu/medschool/research/office-research/biomedical-research-corefacilities/flow-cytometry/training/lesson-one-flow-cytometry-signals [11] http://en.wikipedia.org/wiki/Rayleigh_scattering [12] http://www.semrock.com/flow-cytometry.aspx 9