Bildebehandling verktøy som røntgen og MR har revolusjonerte medisinen ved å gi leger en nær opp visning av hjernen og andre vitale organer i levende mennesker. Nå, Columbia University forskere rapportere en ny måte å zoome inn på de minste skalaene for å spore endringer i de enkelte cellene.
er Beskrevet i siste utgave av Nature Communications, verktøyet kombinerer en mye brukt kjemiske sporing, D2O, eller tungt vann, med en relativt ny laser imaging metode som kalles stimulert Raman spredning (SRS)., Teknikken er potensielle anvendelser er å hjelpe kirurger raskt og presist for å fjerne svulster, for å bidra til å oppdage hodeskader og utviklingsmessige og metabolske forstyrrelser.
«Vi kan bruke denne teknologien til å visualisere metabolske aktiviteter i et bredt spekter av dyr,» sa studien er senior forfatter Wei Min, en kjemi professor ved Columbia University. «Ved å spore hvor og når nye proteiner, lipider og DNA-molekyler som er laget, kan vi lære mer om hvordan dyrene utvikle og alder, og hva som går galt i tilfelle av skade og sykdom.,»
gjennombrudd innebærer bruk av tungt vann som en kjemisk sporing. Laget ved å bytte vann er hydrogen atomer med sine tyngre forhold, deuterium, tungt vann ser ut og smaker som vanlig vann og i små doser (ikke mer enn fem spiseskjeer for mennesker) som er trygt å drikke. Når metaboliseres av cellene i kroppen, tungt vann er innarbeidet i nye proteiner, lipider og DNA, der deuterium danner kjemiske forbindelser med karbon.,
Når disse karbon-deuterium obligasjoner er truffet med lys, de vibrerer på forskjellige frekvenser, forskere oppdaget, slik at hver macromolecule å bli identifisert som et protein, lipid eller DNA. Fra disse frekvens signaturer, de kunne spore vekst av nye proteiner, lipider og DNA i dyrets hjerne, hud, tarmer og andre organer.
Om tungtvannet er allerede brukt til å merke proteiner og lipider, og til å spore metabolske endringer, analyse er foreløpig gjort på en masse spektrometer, på celler som er hentet ut fra kroppen., Denne metoden gjør det nå mulig å visualisere subcellular endringer i ekte tid og rom. «Vi få et sammenhengende bilde av hva som skjer inne i levende dyr celler. Tidligere hadde vi bare et øyeblikksbilde,» sa studien er co-lead author, Lingyan Shi, en postdoctoral forsker ved Columbia.
I studien, forskerne utvannet vanlig vann med D2O og ga det til roundworms, mus og zebrafisk embryo til å drikke. Mål SRS laser i en rekke vev, de så over timer og dager som ny deuterium-merket proteiner, lipider og DNA er bygget opp.,
I ett eksperiment, de så en lysende linje dukke opp rundt raskt voksende hjernen og kolon svulster i mus. Som kreftcellene delt, mer deuterium ble innlemmet i sin nye proteiner og lipider. «Denne metoden skaper en skarp linje mellom sunn og cancerous vev, noe som gjør det mye enklere å fjerne svulsten,» sa Shi.
eksperimenter også tilbudt ny innsikt i celle utvikling og aldring.
– I roundworm, de så fett produksjon stige og falle i ormen er reproduktive system som den alderen., Fett bidrar til ormen er egg til voksen, og når dette legges fett var ikke lenger nyttig, fett dannelse bremset, de fant. De så også klumper av nye proteiner form i eldre ormen kroppen, noe som tyder på at deuterium-merket SRS bildebehandling kan brukes til å spore protein innskudd, og dermed aldring-relatert sykdom.
– I utviklingen av hjernen hos barnet mus, de observert dannelse av et lag av isolerende fett, kalt myelin hylsen rundt hver celle., I følge denne prosessen i sanntid forslag til forskere som deuterium-merket SRS bildebehandling kan brukes til å fortelle om et barns hjerne er å utvikle riktig, eller hvis pasienter som lider av multippel sklerose, en sykdom som angriper hjernen er myelin og forstyrrer informasjonsflyt, kan være med å gjenopprette.
– I svette kjertel celler i mus, de så som nye lipider dannet i cellene i de ytre kantene av svette glands, presser eldre celler innover., Når de gamle celler endelig nådde midten av kjertler, de døde og ble utvist i en prosess tenkt å fukte huden og håret over.
«skjønnheten av denne kartlegging metoden er dens enkelhet,» sier Eric Potma, en kjemi professor ved University of California i Irvine, som ikke var involvert i studien. «Det gir levende bilder av den metabolske aktiviteten i vev med tilsynelatende minimal innsats. Som SRS mikroskop fortsetter å bli mindre, deuterium-merket SRS bildebehandling kan bidra til å fange svulster på et mye tidligere stadium.,»
Opptrer på en anelse av at element hydrogen kom i en tyngre form, Harold Urey, deretter en kjemi professor ved Columbia, lyktes i å skille deuterium fra flytende hydrogen i 1931. Oppdagelsen fikk han nobelprisen i kjemi tre år senere. I tillegg til å fungere som en tracer i masse spektroskopi, deuterium i dag brukes til å spore endringer i havsirkulasjon, studere dannelsen av stjerner, og modulere kjemiske reaksjoner i å gjøre kjernekraft.
Denne artikkelen har vært publisert på nytt fra materialer ved Columbia University., Merk: materiale kan ha blitt redigert med hensyn til lengde og innhold. For ytterligere informasjon, vennligst kontakt sitert kilde.
Referanse
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 avbildning av metabolske dynamikk i dyr. Arten Kommunikasjon, 2018; 9 (1) DOI: 10.1038/s41467-018-05401-3.