Η συνεχής εκμάθηση νέων τεχνολογιών και δεξιοτήτων είναι απαραίτητη ειδικά στην εκπαίδευση STEM [Science, Technology, Engineering and Mathematics]. Στο άρθρο αυτό περιγράφεται μια καινοτόμος εργαστηριακή μέθοδος διδασκαλίας που συνδυάζει στοιχεία Βιοχημείας/Μοριακής Βιολογίας, Κινησιολογίας/Επιστήμης Υγείας, Επιστήμης Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Μηχανικής, δίνοντας την ικανότητα στους μαθητές να κατανοήσουν καλύτερα τα πολύπλοκα βιολογικά συστήματα.
Στόχοι
Συχνά οι μαθητές χρειάζεται να οπτικοποιήσουν περίπλοκες και αφηρημένες δομές χρησιμοποιώντας εικόνες μικροσκοπίου ή απλοποιημένες δισδιάστατες (2D) απεικονίσεις οι οποίες όμως είναι ανεπαρκείς για τη λεπτομερή ανάλυση της οργάνωσης και της μορφολογίας των κυτταρικών οργανιδίων. Η τρισδιάστατη εκτύπωση (3D printing) είναι μια μέθοδος προσθετικής κατασκευής που επιτρέπει την ταχεία και φθηνή παραγωγή φυσικών μοντέλων χρησιμοποιώντας ψηφιακά δεδομένα. Αυτή η τεχνολογία έχει χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή διδακτικών μοντέλων σε επίπεδο δομής πρωτεϊνών και ολικής ανατομίας αλλά όχι ακόμη σε κυτταρικό επίπεδο.
Ως εκ τούτου στο Εργαστήριο Βιοχημείας και Μοριακής Φυσιολογίας της Άσκησης του Κρατικού Πανεπιστημίου Καλιφόρνιας Fullerton, εφαρμόστηκε πιλοτικά σε φοιτητές μια εργαστηριακή δραστηριότητα για την εκτύπωση τρισδιάστατων (3D) μοντέλων πραγματικών ανθρώπινων μυϊκών κυττάρων (μυϊκών ινών). Οι φοιτητές που συμμετείχαν σε αυτό το διεπιστημονικό εργαστηριακό πρόγραμμα είχαν την ευκαιρία να πραγματοποιήσουν τεχνικές 1) εξαγωγής/απομόνωσης μεμονωμένων κυττάρων, 2) στοχευμένης σήμανσης με φθορισμό οργανιδίων/δομών, 3) απεικόνισης με τη βοήθεια συνεστιακού μικροσκοπίου σάρωσης με laser, 4) επεξεργασίας εικόνων με χρήση λογισμικού βιολογικής απεικόνισης ανοιχτού κώδικα, και 5) τρισδιάστατης εκτύπωσης μοντέλων πραγματικών κυττάρων από βιοπλαστικά υλικά (Εικ. 1)
Οι πρωταρχικοί στόχοι υλοποίησης αυτού του πειράματος ήταν 1) να εκθέσουν τους φοιτητές σε πολλαπλές τεχνολογίες (π.χ. συνεστιακή μικροσκοπία και τρισδιάστατη εκτύπωση), 2) να τους παρέχουν απτά μοντέλα διερεύνησης της οργάνωσης και μορφολογίας των μυϊκών κυττάρων και των πυρήνων τους, και 3) να τους παρακινήσουν να μάθουν περισσότερα για τον αόρατο μοριακό κόσμο.
Μέθοδος – Αποτελέσματα
Ο μυϊκός ιστός που χρησιμοποιήθηκε ήταν από έναν υγιή άνδρα εθελοντή, επομένως η μελέτη αυτή ήταν σύμφωνη με τα πρότυπα που έχουν τεθεί στη Διακήρυξη του Ελσίνκι. Ο συμμετέχων έλαβε προφορική και γραπτή πληροφόρηση σχετικά με τις πειραματικές διαδικασίες και τους ενδεχόμενους κινδύνους πριν προβεί σε γραπτή συγκατάθεση.
Διαμήκεις μυϊκές τομές (20 mg) τοποθετήθηκαν απευθείας σε κατάλληλο διάλυμα και αποθηκεύτηκαν στους -20οC για τουλάχιστον μία εβδομάδα ώστε να επιτραπεί η απομόνωση των λείων μυϊκών ινών.
Μετά από μία εβδομάδα επώασης, μια μικρή δέσμη μυϊκών ινών τοποθετήθηκε σε ένα τρυβλίο που περιείχε κατάλληλο διάλυμα. Χρησιμοποιώντας πολύ λεπτές λαβίδες κάτω από στερεοσκοπικό μικροσκόπιο, απομονώθηκαν προσεκτικά τμήματα μυϊκών ινών (2,5-3,0 mm).
Αμέσως μετά την απομόνωση, τα μεμονωμένα μυϊκά κύτταρα τοποθετήθηκαν σε αντικειμενοφόρες πλάκες μικροσκοπίου (5-10 ανά αντικειμενοφόρο πλάκα) και ακολούθησε στοχευμένη σήμανση φθορισμού των νηματίων ακτίνης και των πυρήνων. Γυάλινες καλυπτρίδες τοποθετήθηκαν προσεκτικά πάνω στις ομαδοποιημένες ίνες ώστε να κρατάνε τα κύτταρα όσο το δυνατόν πιο κοντά για την αποτελεσματική απεικόνιση και στη συνέχεια σφραγίστηκαν με βερνίκι νυχιών. Οι αντικειμενοφόρες πλάκες αποθηκεύτηκαν σε σκοτεινό χώρο στους 4 οC μέχρι την απεικόνιση για να ελαχιστοποιηθεί η φωτολεύκανση.
Κατόπιν οι μυϊκές ίνες (1-2 mm) απεικονίστηκαν με χρήση συνεστιακού μικροσκοπίου σάρωσης με laser. Οι τρισδιάστατες εικόνες που συλλέχθηκαν υποβλήθηκαν σε επεξεργασία και αναλύθηκαν με ένα λογισμικό βιολογικής απεικόνισης ανοιχτού κώδικα χρησιμοποιώντας ένα εργαλείο επεξεργασίας εικόνων που βασίζεται στην Java (ImageJ). Οι δέσμες εικόνων ακτίνης και πυρήνων μετατράπηκαν σε ένα αρχείο “.stl”. Το αρχείο “.stl” που δημιουργήθηκε αποθηκεύτηκε σε μια μονάδα flash και μεταφέρθηκε στον εκτυπωτή MakerBot Replicator 2 3D (Τμήμα Πληροφορικής, Κρατικό Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας, Fullerton). Το αρχείο προετοιμάστηκε για εκτύπωση ακολουθώντας τις εντολές του λογισμικού MakerBot (η εικόνα μπορεί να μεγεθυνθεί, να μετακινηθεί ή να περιστραφεί αν είναι απαραίτητο). Στη συγκεκριμένη περίπτωση, η αρχική μυϊκή ίνα είχε μήκος 500 mm και μεγεθύνθηκε 500 φορές (25cm). Οι πυρήνες ήταν ορατοί στο τρισδιάστατο εκτυπωμένο βιοπλαστικό κύτταρο, αλλά χρησιμοποιήθηκε μπλε ακρυλικό χρώμα για να τονιστεί η οργάνωση και η μορφολογία τους.
Έτσι, σε αντίθεση με τις δισδιάστατες απεικονίσεις, τα τρισδιάστατα μοντέλα των μυϊκών κυττάρων προσέφεραν στους φοιτητές εναλλακτικές προοπτικές όσον αφορά τη διάταξη δομών και οργανιδίων στην επιφάνεια των σκελετικών μυϊκών κυττάρων (όπως οι πυρήνες) (Εικ. 2).
Συμπεράσματα – Προοπτικές
Οι εφαρμογές της τρισδιάστατης εκτύπωσης (3D) είναι απεριόριστες. Εκτός από την περίπτωση των μυϊκών κυττάρων που αναφέρθηκε, θα μπορούσε να γίνει τρισδιάστατη μοντελοποίηση για την μελέτη πολλών άλλων κυττάρων ή δομών, δίνοντας στους δασκάλους όλων των βιολογικών κλάδων ένα νέο εργαλείο για την εμπλοκή των μαθητών στη διεπιστημονική έρευνα.
Περαιτέρω μελέτες θα διερευνήσουν την αποτελεσματικότητα τέτοιων προγραμμάτων σε διάφορα εκπαιδευτικά επίπεδα και τη δυνατότητα να εφαρμοστεί η μελέτη και άλλων βιολογικών συστημάτων χρησιμοποιώντας βιοπλαστικά μοντέλα.
Πολύ καλή παρουσίαση της έρευνας.
Πηγή των εικόνων;