x線やMRIのようなイメージングツールは、医師に生きている、呼吸する人々の脳や他の重要な器官のクローズアップビューを与えることによって医学に革命をもたらしました。 さて、コロンビア大学の研究者は、個々の細胞内の変化を追跡するために最も小さなスケールで拡大する新しい方法を報告しています。
ネイチャーコミュニケーションズの最新号で説明されているこのツールは、広く使用されている化学トレーサー、D2O、または重水と、刺激ラマン散乱（SRS）と呼ばれる比較的新しいレーザー画像法を組み合わせたものです。, この技術の潜在的な用途には、外科医が腫瘍を迅速かつ正確に除去し、頭部外傷および発達および代謝障害を検出するのを助けることが含まれる。

“この技術を使用して、幅広い動物の代謝活動を視覚化することができます”と、コロンビア大学の化学教授であるWei Min氏は述べています。 “新しいタンパク質、脂質、DNA分子がどこで、いつ作られるかを追跡することで、動物がどのように発達し、老化し、怪我や病気の場合に何がうまくいかないかについてもっと学ぶことができます。,”

ブレークスルーは、化学トレーサーとして重水の使用を含みます。 水の水素原子を重い相対重水素と交換することによって作られた重水は、通常の水のように見え、味があり、少量で（人間のための五杯以下）飲んでも安全 体内の細胞によって代謝されると、重水は新しく作られたタンパク質、脂質、DNAに組み込まれ、重水素は炭素と化学結合を形成します。,

これらの炭素-重水素結合が光に当たると、さまざまな周波数で振動し、各高分子をタンパク質、脂質またはDNAとして同定することができること これらの周波数シグネチャから、動物の脳、皮膚、腸および他の器官における新しいタンパク質、脂質およびDNAの成長を追跡することができる。

重水はすでに代謝変化を追跡するためにタンパク質や脂質を標識するために使用されていますが、分析は現在、体から抽出された細胞について質量分析計で行われています。, この方法により、細胞内変化をリアルタイムと空間で可視化することが可能になりました。 “生きている動物細胞の中で何が起こっているのかを連続的に把握します。 これまでは、スナップショットしかありませんでした”と、コロンビアの博士研究員であるLingyan Shiの共同執筆者は述べています。

この研究では、研究者は通常の水をD2Oで希釈し、回虫、マウス、ゼブラフィッシュ胚に飲ませました。 いろいろなティッシュでSRSレーザーを向けて、彼らは新しい重水素付けられた蛋白質、脂質およびDNAが造り上げられると同時に何時間もおよび幾日見ました。,

ある実験では、彼らは明るい線がマウスの急速に成長している脳と結腸腫瘍の周りに現れるのを見ました。 癌性細胞が分裂するにつれて、より多くの重水素が新しく作られた蛋白質および脂質に取り込まれた。 “この方法は、健康な組織と癌性組織との間に鋭い線を作り出し、腫瘍を除去することをはるかに容易にする”とShi氏は述べた。

この実験はまた、細胞の発達および老化に関する新しい洞察を提供した。

-回虫では、彼らは老化するにつれてワームの生殖器系で脂肪の生産が上昇し、減少するのを見ました。, 脂肪はワームの卵が成熟するのを助け、この追加された脂肪がもはや有用でなくなると、脂肪の形成が遅くなることがわかりました。 彼らはまた、古いワームの体内に新しいタンパク質の塊を見て、重水素標識SRSイメージングは、タンパク質の沈着、ひいては老化に関連する疾患を追跡す

-赤ちゃんマウスの発達中の脳では、各細胞の周りにミエリン鞘と呼ばれる絶縁脂肪層の形成が観察されました。, このプロセスをリアルタイムで見ることは、重水素標識SRSイメージングを使用して、子供の脳が適切に発達しているかどうか、または脳のミエリンを攻撃して情報の流れを混乱させる多発性硬化症に罹患している患者が回復している可能性があるかどうかを知ることができることを研究者に示唆した。

-マウスの汗腺細胞では、汗腺の外縁にある細胞に新しい脂質が形成され、古い細胞が内側に押し込まれるのを見ました。, これらの古い細胞が最終的に腺の中心に達したとき、彼らは死んで、上記の皮膚や髪に潤いを与えると考えられている過程で追放されました。

“このマッピング方法の美しさは、そのシンプルさです”と、研究に関与していなかったカリフォルニア大学アーバイン校の化学教授Eric Potmaは言います。 “これは、一見最小限の労力で組織内の代謝活動の鮮やかな画像を生成します。 SRS顕微鏡が小さくなり続けるにつれて、重水素標識SRSイメージングは、はるかに早い段階で腫瘍を捕捉するのに役立つかもしれません。,”

元素の水素が重い形で来たという予感に作用して、コロンビアの化学教授であったハロルド-ユーリーは、1931年に液体水素から重水素を分離することに成功した。 この発見は、三年後に彼にノーベル化学賞を受賞しました。 今日の重水素は、質量分光のトレーサーとして機能するだけでなく、海洋循環の変化を追跡し、星の形成を研究し、原子力発電における化学反応を調節するために使用されています。
この記事はコロンビア大学から提供された資料から再版されている。, 注:材料は長さおよび内容のために編集されるかもしれない。 詳細については、引用元にお問い合わせください。
参考
霊岩市、Chaogu鄭、Yihuiシェン、Zhixingチェン、エディルソンS.シルベイラ、Luyuan張、ミアン魏、チャン劉、カルメン*デ*セナ*トマス、キマラ*ターゴフ、魏ミン。 動物における代謝動態の光学イメージング。 ネイチャーコミュニケーションズ、2018;9(1)DOI：10.1038/s41467-018-05401-3—–