Bildgebende Werkzeuge wie Röntgenstrahlen und MRT haben die Medizin revolutioniert, indem sie Ärzten eine Nahansicht des Gehirns und anderer lebenswichtiger Organe bei lebenden, atmenden Menschen gegeben haben. Nun berichten Forscher der Columbia University über eine neue Möglichkeit, auf kleinsten Skalen zu zoomen, um Veränderungen in einzelnen Zellen zu verfolgen.
In der neuesten Ausgabe von Nature Communications beschrieben, kombiniert das Tool einen weit verbreiteten chemischen Tracer, D2O oder Schwerwasser, mit einem relativ neuen Laser-Imaging-Verfahren namens stimulierte Raman-Streuung (SRS)., Die potenziellen Anwendungen der Technik umfassen die schnelle und präzise Entfernung von Tumoren durch Chirurgen, die Erkennung von Kopfverletzungen sowie Entwicklungs-und Stoffwechselstörungen.
„Mit dieser Technologie können wir Stoffwechselaktivitäten in einer Vielzahl von Tieren visualisieren“, sagte der leitende Autor der Studie, Wei Min, Chemieprofessor an der Columbia University. „Indem wir verfolgen, wo und wann neue Proteine, Lipide und DNA-Moleküle hergestellt werden, können wir mehr darüber erfahren, wie sich Tiere entwickeln und altern und was bei Verletzungen und Krankheiten schief geht.,“
Der Durchbruch beinhaltet die Verwendung von schwerem Wasser als chemischer Tracer. Hergestellt durch den Austausch der Wasserstoffatome des Wassers mit ihrem schwereren Verwandten Deuterium, sieht und schmeckt schweres Wasser wie normales Wasser und ist in kleinen Dosen (nicht mehr als fünf Esslöffel für Menschen) sicher zu trinken. Sobald es von Zellen im Körper metabolisiert wurde, wird schweres Wasser in neu hergestellte Proteine, Lipide und DNA eingebaut, wo das Deuterium chemische Bindungen mit Kohlenstoff bildet.,
Wenn diese Kohlenstoff-Deuterium-Bindungen mit Licht getroffen werden, vibrieren sie mit unterschiedlichen Frequenzen, entdeckten die Forscher, so dass jedes Makromolekül als Protein, Lipid oder DNA identifiziert werden kann. Anhand dieser Frequenzsignaturen konnten sie das Wachstum neuer Proteine, Lipide und DNA im Gehirn, in der Haut, im Darm und in anderen Organen des Tieres verfolgen.
Obwohl bereits schweres Wasser zur Kennzeichnung von Proteinen und Lipiden verwendet wird, um Stoffwechselveränderungen zu verfolgen, wird derzeit an einem Massenspektrometer an aus dem Körper extrahierten Zellen analysiert., Diese Methode ermöglicht es nun, subzelluläre Veränderungen in Echtzeit und Raum zu visualisieren. „Wir erhalten ein kontinuierliches Bild davon, was in lebenden Tierzellen passiert. Zuvor hatten wir nur einen Schnappschuss“, sagte der Co-Lead-Autor der Studie, Lingyan Shi, ein Postdoktorand an der Columbia.
In der Studie verdünnten die Forscher normales Wasser mit D2O und gaben es Spulwürmern, Mäusen und Zebrafischembryonen zum Trinken. Mit dem SRS-Laser auf eine Vielzahl von Geweben zielend, beobachteten sie über Stunden und Tage, wie sich neue Deuterium-markierte Proteine, Lipide und DNA aufbauten.,
In einem Experiment beobachteten sie, wie eine helle Linie um schnell wachsende Gehirn-und Dickdarmtumoren in den Mäusen entstand. Als sich die Krebszellen teilten, wurde mehr Deuterium in ihre neu hergestellten Proteine und Lipide eingebaut. „Diese Methode schafft eine scharfe Linie zwischen gesundem und krebsartigem Gewebe und erleichtert die Entfernung des Tumors erheblich“, sagte Shi.
Die Experimente boten auch neue Einblicke in die Zellentwicklung und-alterung.
– Im Spulwurm beobachteten sie, wie die Fettproduktion im Alter im Fortpflanzungssystem des Wurms anstieg und fiel., Fett hilft den Eiern des Wurms zu reifen, und sobald dieses hinzugefügte Fett nicht mehr nützlich war, verlangsamte sich die Fettbildung, fanden sie. Sie sahen auch Klumpen neuer Proteinform im Körper des älteren Wurms, was darauf hindeutet, dass Deuterium-markierte SRS-Bildgebung verwendet werden könnte, um Proteinablagerungen und damit altersbedingte Krankheiten zu verfolgen.
– In den sich entwickelnden Gehirnen von Babymäusen beobachteten sie die Bildung einer Schicht isolierenden Fettes, der sogenannten Myelinscheide, um jede Zelle herum., Das Beobachten des Prozesses in Echtzeit schlug den Forschern vor, dass die mit Deuterium markierte SRS-Bildgebung verwendet werden könnte, um festzustellen, ob sich das Gehirn eines Kindes richtig entwickelt oder ob Patienten mit Multipler Sklerose, einer Krankheit, die das Myelin des Gehirns angreift und den Informationsfluss stört, möglicherweise erholt.
– In den Schweißdrüsenzellen von Mäusen beobachteten sie, wie sich neue Lipide in Zellen an den äußeren Rändern der Schweißdrüsen bildeten und ältere Zellen nach innen drückten., Als diese alten Zellen schließlich das Zentrum der Drüsen erreichten, starben sie und wurden in einem Prozess vertrieben, der die Haut und die Haare oben befeuchten sollte.
„Das Schöne an dieser Kartierungsmethode ist ihre Einfachheit“, sagt Eric Potma, Chemieprofessor an der University of California in Irvine, der nicht an der Studie beteiligt war. „Es erzeugt lebendige Bilder der Stoffwechselaktivität in Geweben mit scheinbar minimalem Aufwand. Da das SRS-Mikroskop immer kleiner wird, kann die Deuterium-markierte SRS-Bildgebung dazu beitragen, Tumore in viel früheren Stadien zu fangen.,“
Harold Urey, damals Chemieprofessor an der Columbia, gelang es 1931, Deuterium von flüssigem Wasserstoff zu trennen. Die Entdeckung gewann ihm drei Jahre später einen Nobelpreis für Chemie. Deuterium dient heute nicht nur als Tracer in der Massenspektroskopie, sondern wird auch verwendet, um Veränderungen der Ozeanzirkulation zu verfolgen, die Bildung von Sternen zu untersuchen und chemische Reaktionen bei der Herstellung von Kernenergie zu modulieren.
Dieser Artikel wurde von Materialien von der Columbia University zur Verfügung gestellt veröffentlicht., Hinweis: Material wurde möglicherweise für Länge und Inhalt bearbeitet. Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an die zitierte Quelle.
Verweis
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. Optische Bildgebung der metabolischen Dynamik bei Tieren. Nature Communications, 2018; 9 (1) DOI: 10.1038/s41467-018-05401-3.