Beeldvormingsinstrumenten zoals röntgenstralen en MRI hebben een revolutie teweeggebracht in de geneeskunde door artsen een close-up beeld te geven van de hersenen en andere vitale organen in levende, ademende mensen. Nu, Columbia University onderzoekers melden een nieuwe manier om in te zoomen op de kleinste schalen om veranderingen in individuele cellen te volgen.
beschreven in het laatste nummer van Nature Communications, combineert de tool een veel gebruikte chemische tracer, D2O, of zwaar water, met een relatief nieuwe laser-imaging methode genaamd stimulated Raman scattering (SRS)., De potentiële toepassingen van de techniek omvatten het helpen van chirurgen snel en precies verwijderen van tumoren, om te helpen om hoofdletsel en ontwikkelings-en metabolische stoornissen te ontdekken. “We kunnen deze technologie gebruiken om metabolische activiteiten in een breed scala van dieren te visualiseren,” zei senior auteur Wei Min, professor scheikunde aan de Columbia University. “Door bij te houden waar en wanneer nieuwe eiwitten, lipiden en DNA-moleculen worden gemaakt, kunnen we meer te weten komen over hoe dieren zich ontwikkelen en ouder worden, en wat er mis gaat in het geval van letsel en ziekte.,”
De Doorbraak omvat het gebruik van zwaar water als chemische tracer. Gemaakt door waterstofatomen van water te ruilen met hun zwaardere familielid, deuterium, ziet zwaar water eruit en smaakt naar regelmatig water en in kleine doses (niet meer dan vijf eetlepels voor mensen) is veilig om te drinken. Zodra gemetaboliseerd door cellen in het lichaam, wordt zwaar water opgenomen in nieuw gemaakte proteã nen, lipiden en DNA, waar deuterium chemische banden met koolstof vormt.,
wanneer deze koolstof-deuteriumbindingen met licht worden geraakt, trillen ze met verschillende frequenties, zo ontdekten de onderzoekers, waardoor elk macromolecuul kan worden geïdentificeerd als een eiwit, lipide of DNA. Aan de hand van deze frequentiesignaturen konden ze de groei van nieuwe eiwitten, lipiden en DNA in de hersenen, huid, darmen en andere organen van het dier volgen.
hoewel zwaar water al wordt gebruikt om eiwitten en lipiden te labelen om metabole veranderingen te volgen, wordt de analyse momenteel uitgevoerd op een massaspectrometer, op cellen die uit het lichaam worden geëxtraheerd., Deze methode maakt het nu mogelijk om subcellulaire veranderingen in realtime en ruimte te visualiseren. “We krijgen een continu beeld van wat er gebeurt in levende dierlijke cellen. Eerder hadden we slechts een momentopname,” zei de co-hoofdauteur van de studie, Lingyan Shi, een postdoctorale onderzoeker aan Columbia.
In de studie verdundden de onderzoekers gewoon water met D2O en gaven het aan rondwormen, muizen en zebravisembryo ‘ s om te drinken. Het richten van de SRS-laser op een verscheidenheid van weefsel, keken zij over uren en dagen toe als nieuwe deuterium-geëtiketteerde proteã nen, lipiden en opgebouwde DNA.,
in één experiment zagen ze een heldere lijn ontstaan rond snelgroeiende hersen-en colontumoren bij de muizen. Aangezien de kankercellen verdeelden, werd meer deuterium opgenomen in hun nieuw gemaakte proteã nen en lipiden. “Deze methode creëert een scherpe lijn tussen gezond en kankerweefsel, waardoor het veel gemakkelijker om de tumor te verwijderen,” zei Shi.
de experimenten boden ook nieuwe inzichten in celontwikkeling en veroudering.
– bij de rondworm zagen ze de vetproductie stijgen en dalen in het voortplantingssysteem van de worm naarmate het ouder werd., Vet helpt de eitjes van de worm te rijpen, en zodra dit toegevoegde vet niet langer nuttig was, vertraagde de vetvorming, vonden ze. Zij zagen ook klontjes van nieuwe eiwitvorm in het lichaam van de oudere worm, die suggereren dat deuterium-geëtiketteerde SRS weergave zou kunnen worden gebruikt om eiwitaanslagen, en dus verouderend verwante ziekte te volgen.
– In de zich ontwikkelende hersenen van babymuizen werd rond elke cel een laag isolerend vet waargenomen, de myeline-schede genaamd., Kijken naar het proces in real time voorgesteld aan de onderzoekers dat deuterium-gelabelde SRS imaging kan worden gebruikt om te vertellen of de hersenen van een kind goed ontwikkelt, of als patiënten die lijden aan multiple sclerose, een ziekte die de hersenen myeline aanvalt en verstoort informatiestroom, zou kunnen worden herstellende.
– In de zweetkliercellen van muizen zagen ze nieuwe lipiden ontstaan in cellen aan de buitenranden van de zweetklieren, waardoor oudere cellen naar binnen duwden., Toen die oude cellen eindelijk het centrum van de klieren bereikten, stierven ze en werden verdreven in een proces dacht om de huid en het haar boven te hydrateren.
“De schoonheid van deze mapping methode is de eenvoud,” zegt Eric Potma, een professor scheikunde aan de Universiteit van Californië in Irvine die niet betrokken was bij de studie. “Het produceert levendige beelden van metabolische activiteit in weefsels met schijnbaar minimale inspanning. Aangezien de SRS microscoop kleiner blijft worden, kan deuterium-geëtiketteerde SRS weergave helpen om tumors in veel vroegere stadia te vangen.,op basis van een vermoeden dat het element waterstof in een zwaardere vorm kwam, slaagde Harold Urey, toen hoogleraar scheikunde aan Columbia, erin deuterium te scheiden van vloeibare waterstof in 1931. Drie jaar later won hij de Nobelprijs voor de scheikunde. Naast het dienen als tracer in massaspectroscopie, wordt deuterium vandaag gebruikt om veranderingen in oceaanomloop te volgen, de vorming van sterren te bestuderen, en chemische reacties in het maken van kernenergie te moduleren.dit artikel is opnieuw gepubliceerd op basis van materiaal van Columbia University., Opmerking: materiaal kan zijn bewerkt voor lengte en inhoud. Voor meer informatie kunt u contact opnemen met de geciteerde bron.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 beeldvorming van metabole dynamica bij dieren. Natuurcommunicatie, 2018; 9 (1) DOI: 10.1038/s41467-018-05401-3.