Imaging verktyg som röntgen och MRI har revolutionerat medicin genom att ge läkare en närbild av hjärnan och andra vitala organ i levande, andas människor. Nu rapporterar Columbia University forskare ett nytt sätt att zooma in på de minsta skalorna för att spåra förändringar inom enskilda celler.
som Beskrivs i det senaste numret av Nature Communications verktyget kombinerar en allmänt används kemiska tracer, D2O, eller tungt vatten, med en relativt ny laser-avbildning metod som kallas stimulerad ramanspridning (SRS)., Teknikens potentiella tillämpningar inkluderar att hjälpa kirurger att snabbt och exakt ta bort tumörer, för att hjälpa till att upptäcka huvudskador och utvecklings-och metaboliska störningar.
”vi kan använda denna teknik för att visualisera metaboliska aktiviteter i ett brett spektrum av djur”, säger studiens ledande författare Wei Min, en kemiprofessor vid Columbia University. ”Genom att spåra var och när nya proteiner, lipider och DNA-molekyler tillverkas kan vi lära oss mer om hur djur utvecklas och åldras och vad som går fel vid skada och sjukdom.,”
genombrottet innebär användning av tungt vatten som en kemisk spårämne. Gjord genom att byta vatten väteatomer med sin tyngre släkting, deuterium, ser tungt vatten ut och smakar som vanligt vatten och i små doser (högst fem matskedar för människor) är säkert att dricka. När metaboliseras av celler i kroppen, är tungt vatten införlivas i nytillverkade proteiner, lipider och DNA, där deuterium bildar kemiska bindningar med kol.,
när dessa kol – deuteriumbindningar träffas med ljus, vibrerar de vid olika frekvenser, upptäckte forskarna, vilket gjorde det möjligt för varje makromolekyl att identifieras som ett protein, lipid eller DNA. Från dessa frekvenssignaturer kunde de spåra tillväxten av nya proteiner, lipider och DNA i djurets hjärna, hud, tarm och andra organ.
även om tungt vatten redan används för att märka proteiner och lipider för att spåra metaboliska förändringar, görs analys för närvarande på en masspektrometer på celler som extraheras från kroppen., Denna metod gör det nu möjligt att visualisera subcellulära förändringar i realtid och i rymden. ”Vi får en kontinuerlig bild av vad som händer inuti levande djurceller. Tidigare hade vi bara en ögonblicksbild”, säger studiens medförfattare, Lingyan Shi, en postdoktoral forskare på Columbia.
i studien spädde forskarna vanligt vatten med D2O och gav det till rundmaskar, Möss och zebrafiskembryon att dricka. Siktar SRS laser på en mängd olika vävnader, de såg över timmar och dagar som nya Deuterium-märkta proteiner, lipider och DNA byggs upp.,
i ett experiment såg de en ljus linje dyka upp runt snabbväxande hjärntumörer och kolontumörer i mössen. När cancercellerna delades upp, införlivades mer deuterium i deras nybildade proteiner och lipider. ”Denna metod skapar en skarp linje mellan frisk och cancervävnad, vilket gör det mycket lättare att ta bort tumören”, säger Shi.
experimenten erbjöd också nya insikter i cellutveckling och åldrande.
– i rundmasken såg de fettproduktionen stiga och falla i ormens reproduktionssystem som det åldras., Fett hjälper maskens ägg att mogna, och när detta tillsatta fett inte längre var användbart, fettbildningen saktade, fann de. De såg också klumpar av ny proteinform i den äldre maskens kropp, vilket tyder på att DEUTERIUMMÄRKT SRS-bildbehandling kan användas för att spåra proteinavlagringar och därmed åldringsrelaterad sjukdom.
– i de utvecklande hjärnorna hos barnmöss observerade de bildandet av ett lager av isolerande fett, kallat myelinskidan, runt varje cell., Att titta på processen i realtid föreslog forskarna att DEUTERIUMMÄRKTA SRS-bildbehandling skulle kunna användas för att berätta om ett barns hjärna utvecklas ordentligt, eller om patienter som lider av multipel skleros, en sjukdom som angriper hjärnans myelin och stör informationsflödet, kan återhämta sig.
– i mössens svettkörtelceller såg de som nya lipider bildade i celler vid svettkörtens ytterkanter och tryckte äldre celler inåt., När de gamla cellerna äntligen nådde mitten av körtlarna dog de och utvisades i en process som trodde att återfuka huden och håret ovanför.
”skönheten i denna kartläggningsmetod är dess enkelhet”, säger Eric Potma, en kemiprofessor vid University of California vid Irvine som inte var inblandad i studien. ”Det producerar levande bilder av metabolisk aktivitet i vävnader med till synes minimal ansträngning. Eftersom SRS-mikroskopet fortsätter att bli mindre kan deuteriummärkt SRS-bildbehandling hjälpa till att fånga tumörer i mycket tidigare skeden.,”
agera på en känsla av att elementet väte kom i en tyngre form, Harold Urey, då en kemiprofessor vid Columbia, lyckades separera deuterium från flytande väte 1931. Upptäckten vann honom ett Nobelpris i kemi tre år senare. Förutom att fungera som spårare i masspektroskopi används deuterium idag för att spåra förändringar i havcirkulationen, studera bildandet av stjärnor och modulera kemiska reaktioner vid kärnkraft.
denna artikel har publicerats från material som tillhandahålls av Columbia University., Obs! materialet kan ha redigerats för längd och innehåll. För ytterligare information, kontakta den citerade källan.
Referens
Lingyan Shi, Chaogu Zheng, Yihui Shen, Genomförandet av Chen, Edilson S. Silveira, Luyuan Zhang, Mian Wei, Chang Liu, Carmen de Sena-Tomas, Kimara Targoff, Wei Min. Optisk avbildning av metabolisk dynamik hos djur. Nature Communications, 2018; 9 (1) DOI: 10.1038/s41467-018-05401-3.