billeddannelsesværktøjer som røntgenstråler og MR har revolutioneret medicin ved at give læger et tæt billede af hjernen og andre vitale organer i levende, vejrtrækning. Nu rapporterer Columbia University-forskere en ny måde at .oome ind på de mindste skalaer for at spore ændringer inden for individuelle celler.
beskrevet i den seneste udgave af Nature Communications kombinerer værktøjet en meget anvendt kemisk sporstof, D2O eller tungt vand, med en relativt ny laserafbildningsmetode kaldet stimuleret Raman-spredning (SRS)., Teknikkens potentielle anvendelser omfatter at hjælpe kirurger hurtigt og præcist fjerne tumorer, for at hjælpe med at opdage hovedskader og udviklings-og metaboliske lidelser.
“Vi kan bruge denne teknologi til at visualisere metaboliske aktiviteter i en lang række dyr,” sagde undersøgelsens seniorforfatter Minei Min, en kemiprofessor ved Columbia University. “Ved at spore, hvor og hvornår nye proteiner, lipider og DNA-molekyler fremstilles, kan vi lære mere om, hvordan dyr udvikler sig og alder, og hvad der går galt i tilfælde af skade og sygdom.,”
gennembrudet involverer brugen af tungt vand som kemisk sporstof. Lavet ved at bytte vandets hydrogenatomer med deres tungere slægtning, deuterium, ser tungt vand ud og smager som almindeligt vand og i små doser (højst fem spiseskefulde til mennesker) er det sikkert at drikke. Når det er metaboliseret af celler i kroppen, inkorporeres tungt vand i nyfremstillede proteiner, lipider og DNA, hvor deuteriet danner kemiske bindinger med kulstof.,
når disse carbon-deuteriumbindinger rammes med lys, vibrerer de ved forskellige frekvenser, opdagede forskerne, hvilket gør det muligt at identificere hvert makromolekyle som et protein, lipid eller DNA. Fra disse frekvenssignaturer kunne de spore væksten af nye proteiner, lipider og DNA i dyrets hjerne, hud, tarm og andre organer.
selvom tungt vand allerede bruges til at mærke proteiner og lipider til at spore metaboliske ændringer, udføres der i øjeblikket analyse på et massespektrometer på celler, der er ekstraheret fra kroppen., Denne metode gør det nu muligt at visualisere subcellulære ændringer i realtid og rum. “Vi får et kontinuerligt billede af, hvad der sker inde i levende dyreceller. Tidligere havde vi kun et øjebliksbillede,” sagde undersøgelsens medforfatter, Lingyan Shi, en postdoktoralforsker ved Columbia.
i undersøgelsen fortyndede forskerne regelmæssigt vand med D2O og gav det til rundorm, mus og embryosebrafiskembryoner at drikke. Med henblik på SRS-laseren mod en række væv så de over timer og dage, da nye deuteriummærkede proteiner, lipider og DNA blev opbygget.,
i et eksperiment så de en lys linje dukke op omkring hurtigt voksende hjerne-og tyktarmsvulster i musene. Efterhånden som kræftcellerne blev opdelt, blev mere deuterium inkorporeret i deres nyligt fremstillede proteiner og lipider. “Denne metode skaber en skarp linje mellem sundt og kræftvæv, hvilket gør det meget lettere at fjerne tumoren,” sagde Shi.
eksperimenterne gav også ny indsigt i celleudvikling og aldring.
– i rundormen så de fedtproduktionen stige og falde i ormens reproduktive system, da det blev ældre., Fedt hjælper ormens æg til at modnes, og når dette tilsatte fedt ikke længere var nyttigt, blev fedtdannelsen bremset, fandt de. De så også klumper af ny proteinform i den ældre orms krop, hvilket antyder, at deuteriummærket SRS-billeddannelse kunne bruges til at spore proteinaflejringer og dermed aldringsrelateret sygdom.
– i de udviklende hjerner hos babymus observerede de dannelsen af et lag isolerende fedt, kaldet myelinskeden, omkring hver celle., At se processen i realtid foreslog forskerne, at deuterium-mærket SRS-billeddannelse kunne bruges til at fortælle, om et barns hjerne udvikler sig korrekt, eller hvis patienter, der lider af multipel sklerose, en sygdom, der angriber hjernens myelin og forstyrrer informationsstrømmen, kan være ved at komme sig.
– i musens svedkirtelceller så de som nye lipider dannet i celler ved yderkanterne af svedkirtlerne og skubbede ældre celler indad., Da de gamle celler endelig nåede midten af kirtlerne, døde de og blev udvist i en proces, der antages at fugte huden og håret ovenfor.
“Skønheden i denne kortlægningsmetode er dens enkelhed,” siger Eric Potma, en kemiprofessor ved University of California i Irvine, som ikke var involveret i undersøgelsen. “Det producerer levende billeder af metabolisk aktivitet i væv med tilsyneladende minimal indsats. Da SRS-mikroskopet fortsætter med at blive mindre, kan deuteriummærket SRS-billeddannelse hjælpe med at fange tumorer i meget tidligere stadier.,”
handler på en fornemmelse af, at elementet brint kom i en tungere form, Harold Urey, derefter en kemi professor ved Columbia, lykkedes at adskille deuterium fra flydende brint i 1931. Opdagelsen vandt ham en Nobelpris i kemi tre år senere. Ud over at tjene som sporstof i massespektroskopi bruges deuterium i dag til at spore ændringer i havcirkulationen, studere dannelsen af stjerner og modulere kemiske reaktioner ved fremstilling af atomkraft.
denne artikel er blevet genudgivet fra materialer leveret af Columbia University., Bemærk: materiale kan være redigeret for længde og indhold. For yderligere information, kontakt venligst den citerede kilde.
Reference
Lingyan Shi, Chaogu Zheng, Yihui Shen, Zhixing Chen, Edilson S. Silveira, Luyuan Zhang, Mian Wei, Chang Liu, Carmen de Sena-Tomas, Kimara Targoff, Wei Min. Optisk billeddannelse af metabolisk dynamik hos dyr. Nature Communications, 2018; 9 (1) DOI: 10.1038/s41467-018-05401-3.