Роботизированная микропипетка высосала из розмарина ценные вещества
Физики из Дании смогли извлечь ценные химические соединения из листа розмарина с помощью микропипетки, управляемой компьютером. В работе, опубликованной в журнале Plant Physiology, ученые рассказывают, как натренировали нейросеть GoogLeNet распознавать богатые метаболитами клетки растений чтобы эффективно доставать из них нужные вещества, не повреждая растение целиком.
Растительные метаболиты содержат широкий спектр химических веществ, включая терпены, фенольные соединения и алкалоиды. Многие из них используются как ароматизаторы, лекарства и биотопливо. Обычно ценные вещества из растений получают путем экстракции, для которой необходимо измельчить растения, а также использовать растворители, что приводит к загрязнению конечных продуктов, а их очистка — к высоким экономическим и экологическим затратам.
Однако большинство метаболитов растений хранятся в специализированных клетках, таких как железистые волоски (трихомы) размером менее 0,1 миллиметра. Целенаправленное извлечение метаболитов из них повышает чистоту получаемых веществ, а также позволяет сохранить растение почти невредимым.
Управляемые вручную микроиглы для таких манипуляций с растительными клетками уже существуют. Однако обнаружить нужные клеточные структуры, богатые метаболитами — задача не из легких. К тому же, это довольно кропотливая и утомительная работа, которая занимает много времени.
Теперь физики под руководством Хансола Бэ (Hansol Bae) из Датского технического университета разработали систему, в которой поиском богатых метаболитами клеток растений занимается нейросеть. Для обнаружения целевых клеток ученые применили к сверточной нейросети GoogLeNet трансферное обучение (Transfer Learning), натренировав ее на 2000 микрофотографиях клеток листа. Примерно половина из 2000 снимков содержали изображения железистых трихом. Нейросеть научилась распознавать клетки, богатые метаболитами, со средней точностью 90 процентов.
Процесс извлечения метаболитов начинался с того, что микроскопическая камера сканировала лист розмарина лекарственного (Rosmarinus officinalis) и передавала информацию нейросети, которая распознавала нужные клетки. Затем микропипетка из алюмосиликатного стекла проникала в целевое место и извлекала метаболиты. Основание иглы было соединено с шприцевым насосом, который обеспечивал непрерывное всасывание жидкости со скоростью 5 микролитров в час. Диаметр кончика иглы составлял около 0,05 миллиметра.
Из одной железистой трихомы за 10 секунд удалось в среднем получить 0,48 нанолитров метаболитов. Чтобы перейти от одной клетки к другой, роботизированной пипетке требовалось не больше секунды. В результате физики добились четырехкратного увеличения скорости извлечения веществ по сравнению с ручным управлением. Выход метаболитов был сопоставим (60 процентов) с выходом в неавтоматизированном методе.
Розмарин особенно богат такими соединениями как камфора, 1,8-цинеол, пинен, камфен, терпинеол и борнеол. В 2017 году исследователи из Университета Нортумбрии выяснили, что аромат эфирного масла розмарина может улучшить кратковременную память у детей. Результаты анализов крови людей, обильно вдыхавших пары масла розмарина, показали, что в их плазме присутствует значительно больше 1,8-цинеола, но пока это не объясняет, почему и как розмарин оказывает такое действие на работу памяти.
Благодаря лекарствам гормоны перестали мешать иммунитету бороться с опухолью
Японские ученые описали механизм, благодаря которому лекарства, блокирующие работу эстрогенов, подавили развитие опухолей, не имеющих альфа-рецепторов к эстрогенам. Анализ данных от пациенток с трижды негативным раком молочной железы и эксперименты на мышах показали, что антиэстрогенные препараты снижают иммуносуппрессивное действие эстрогенов в отношении противоопухолевых цитотоксических лимфоцитов. Использование антиэстрогенных препаратов у мышей с опухолями, нечувствительными к эстрогенам, помогло замедлить рост опухолей. Исследование опубликовано в журнале British Journal of Cancer. Эстрогены называют женскими половыми гормонами, но они влияют не только на созревание и работу женской половой системы, но и практически на все органы и системы мужского и женского организма, включая мозг, эпителии, костную ткань и иммунную систему. В эпителиальных клетках молочных желез и женской половой системы есть альфа-рецепторы к эстрогенам, регулирующие рост и дифференцировку в разные фазы менструального цикла. Такие же рецепторы есть и во многих опухолевых клетках: примерно три четверти раков молочной железы экспрессируют альфа-рецепторы, а блокада рецепторов и блокада выработки эстрогенов лежат в основе лечения пациенток (и пациентов). В течение последних 30 лет появляются наблюдения, согласно которым опухоли молочной железы, не экспрессирующие альфа-рецепторы, иногда тоже реагируют на лечение антиэстрогенными препаратами, но механизм этого феномена оставался неясен. Иммунологи и биоинформатики из Университета Хоккайдо во главе с Кэн-итиро Сэйно (Ken-ichiro Seino) описали механизм действия антиэстрогенных препаратов на опухоли, лишенные альфа-рецепторов. Для начала они оттолкнулись от датасета TCGA, в котором содержалась информация о транскриптоме трижды негативного рака молочной железы у 171 пациентки. Ученые выяснили, что чем выше активность гена HSD17B1 в опухоли (ген кодирует фермент, превращающий малоактивный гормон эстрон в активный гормон эстрадиол), тем меньше в опухолевых массах цитотоксических Т-лимфоцитов (r = −0,299, p = 0,00006). У пациенток с высокой экспрессией фермента болезнь протекала агрессивнее. Ученые смоделировали на мышах, как влияет высокий уровень эстрогенов на противоопухолевый иммунитет. Они вводили самкам мышей опухолевые клетки из двух линий, не имеющих альфа-рецепторов к эстрогенам (мышиный трижды негативный рак молочной железы и мышиный колоректальный рак). Половине животных ученые удалили яичники перед введением клеток. У таких мышей уровень эстрогенов был ниже, чем в контрольной группе, но выживаемость была лучше, а опухоли росли медленнее. Если мышам с опухолями и нормально функционирующими яичниками вводить препараты, подавляющие образование эстрогенов (анастрозол) или блокирующие альфа-рецепторы (тамоксифен, фульвестрант), то количество цитотоксических лимфоцитов в опухоли становилось выше, причем эффект не был связан с дополнительными рецепторами к гормонам, которые часто обнаруживают у трижды негативного рака. Лимфоциты, инфильтрирующие опухоль, становились активнее под действием лекарств: в опухоли повышался уровень интерферона гамма и цитотоксических молекул, вырабатываемых активированными лимфоцитами. Когда ученые попытались лечить мышей с трижды негативным раком молочной железы комбинацией химиопрепаратов и фульвестранта, то добавление антиэстрогенной терапии снижало скорость прогрессирования опухоли в 2,5-5 раз. Эксперименты на культуре клеток показали, что активация рецепторов к эстрогенам на лимфоцитах снижает их противоопухолевую активность — подавляет выработку клетками интерлейкина второго типа и активность сигнального пути JAK-STAT (о том, какое отношение он имеет к воспалению, мы рассказывали на примере мышечной ткани). Работа ученых из Университета Хоккайдо показывает: если у давно известного лекарства нет мишени в опухолевых клетках, то это не значит, что лекарство не будет эффективным. Плейотропные эффекты антигормональных препаратов могут быть полезны в иммуноонкологии, но пока рано говорить о том, что связь между эстрогенами и противоопухолевым иммунитетом окончательно расшифрована (в ряде случаев она, видимо, и вовсе работает в противоположном направлении). Тем не менее некоторые антиэстрогенные препараты уже целенаправленно исследуют в лечении эстрогеннегативных опухолей. В онкологии много примеров, когда врачи извлекают пользу из лекарства, которое на первый взгляд не должно было работать. Один из самых ярких примеров — талидомид, у которого в последнее время находят все больше положительных эффектов. О нелегкой судьбе соединения читайте в материале «Готов искупить».