Strumenti di imaging come i raggi X e la risonanza magnetica hanno rivoluzionato la medicina dando ai medici una visione ravvicinata del cervello e di altri organi vitali nelle persone che vivono e respirano. Ora, i ricercatori della Columbia University riportano un nuovo modo di ingrandire le scale più piccole per tenere traccia dei cambiamenti all’interno delle singole cellule.
Descritto nell’ultimo numero di Nature Communications, lo strumento combina un tracciante chimico ampiamente utilizzato, D2O o acqua pesante, con un metodo di imaging laser relativamente nuovo chiamato stimulated Raman scattering (SRS)., Le potenziali applicazioni della tecnica includono aiutare i chirurghi a rimuovere rapidamente e con precisione i tumori, ad aiutare a rilevare lesioni alla testa e disturbi dello sviluppo e del metabolismo.

“Possiamo usare questa tecnologia per visualizzare le attività metaboliche in una vasta gamma di animali”, ha detto l’autore senior dello studio Wei Min, professore di chimica alla Columbia University. “Tracciando dove e quando vengono prodotte nuove proteine, lipidi e molecole di DNA, possiamo imparare di più su come gli animali si sviluppano e invecchiano, e cosa va storto in caso di lesioni e malattie.,”

La svolta prevede l’uso di acqua pesante come tracciante chimico. Fatto scambiando gli atomi di idrogeno dell’acqua con il loro parente più pesante, deuterio, l’acqua pesante sembra e ha un sapore come l’acqua normale e in piccole dosi (non più di cinque cucchiai per gli esseri umani) è sicuro da bere. Una volta metabolizzata dalle cellule del corpo, l’acqua pesante viene incorporata in proteine, lipidi e DNA appena fatti, dove il deuterio forma legami chimici con il carbonio.,

Quando questi legami carbonio-deuterio vengono colpiti dalla luce, vibrano a frequenze variabili, hanno scoperto i ricercatori, consentendo a ciascuna macromolecola di essere identificata come proteina, lipide o DNA. Da queste firme di frequenza, potrebbero tracciare la crescita di nuove proteine, lipidi e DNA nel cervello, nella pelle, nell’intestino e in altri organi dell’animale.

Sebbene l’acqua pesante sia già utilizzata per etichettare proteine e lipidi per tracciare i cambiamenti metabolici, l’analisi viene attualmente eseguita su uno spettrometro di massa, su cellule estratte dal corpo., Questo metodo ora consente di visualizzare i cambiamenti subcellulari in tempo reale e nello spazio. “Otteniamo un’immagine continua di ciò che sta accadendo all’interno delle cellule animali viventi. In precedenza, avevamo solo un’istantanea”, ha detto il co-autore dello studio, Lingyan Shi, ricercatore post-dottorato alla Columbia.

Nello studio, i ricercatori hanno diluito l’acqua normale con D2O e l’hanno data a nematodi, topi e embrioni di zebrafish da bere. Puntando il laser SRS su una varietà di tessuti, hanno osservato per ore e giorni nuove proteine, lipidi e DNA marcati con deuterio.,

In un esperimento, hanno osservato una linea luminosa emergere intorno a tumori del cervello e del colon in rapida crescita nei topi. Mentre le cellule cancerose si dividevano, più deuterio veniva incorporato nelle loro proteine e lipidi appena fatti. ” Questo metodo crea una linea netta tra tessuto sano e canceroso, rendendo molto più facile rimuovere il tumore”, ha detto Shi.

Gli esperimenti hanno anche offerto nuove informazioni sullo sviluppo e l’invecchiamento cellulare.

– Nel nematode, hanno visto la produzione di grasso salire e scendere nel sistema riproduttivo del verme mentre invecchiava., Il grasso aiuta le uova del verme a maturare, e una volta che questo grasso aggiunto non era più utile, la formazione di grasso ha rallentato, hanno trovato. Hanno anche visto ciuffi di nuova forma proteica nel corpo del verme più vecchio, suggerendo che l’imaging SRS marcato con deuterio potrebbe essere utilizzato per tracciare i depositi proteici e quindi la malattia correlata all’invecchiamento.

– Nei cervelli in via di sviluppo dei topi, hanno osservato la formazione di uno strato di grasso isolante, chiamato guaina mielinica, attorno a ciascuna cellula., Guardando il processo in tempo reale ha suggerito ai ricercatori che l’imaging SRS marcato con deuterio potrebbe essere usato per dire se il cervello di un bambino si sta sviluppando correttamente, o se i pazienti affetti da sclerosi multipla, una malattia che attacca la mielina del cervello e interrompe il flusso di informazioni, potrebbe essere in fase di recupero.

– Nelle cellule della ghiandola sudoripare dei topi, hanno osservato come nuovi lipidi si formassero nelle cellule ai bordi esterni delle ghiandole sudoripare, spingendo le cellule più vecchie verso l’interno., Quando quelle vecchie cellule finalmente raggiunto il centro delle ghiandole, sono morti e sono stati espulsi in un processo pensato per idratare la pelle e capelli sopra.

“La bellezza di questo metodo di mappatura è la sua semplicità”, afferma Eric Potma, professore di chimica all’Università della California a Irvine che non è stato coinvolto nello studio. “Produce immagini vivide dell’attività metabolica nei tessuti con uno sforzo apparentemente minimo. Mentre il microscopio SRS continua a diventare più piccolo, l’imaging SRS marcato con deuterio può aiutare a catturare i tumori in fasi molto precedenti.,”

Agendo su una sensazione che l’elemento idrogeno è venuto in una forma più pesante, Harold Urey, allora un professore di chimica alla Columbia, è riuscito a separare deuterio da idrogeno liquido nel 1931. La scoperta gli valse un premio Nobel per la chimica tre anni dopo. Oltre a servire come tracciante nella spettroscopia di massa, il deuterio oggi viene utilizzato per tracciare i cambiamenti nella circolazione oceanica, studiare la formazione di stelle e modulare le reazioni chimiche nella produzione di energia nucleare.
Questo articolo è stato ripubblicato da materiali forniti dalla Columbia University., Nota: il materiale potrebbe essere stato modificato per lunghezza e contenuto. Per ulteriori informazioni, si prega di contattare la fonte citata.
Riferimento
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. Imaging ottico della dinamica metabolica negli animali. Nature Communications, 2018; 9 (1) DOI: 10.1038 / s41467-018-05401-3.