Biomolekulák nézése tánc közben Az új módszer az anyagcsere folyamatait mutatja be - kontrasztban gazdag és
Az élő zsírsejtek (1 mm x 1 mm) MiROM mikroszkóp képe: lipidek (piros), fehérjék (zöld) és szénhidrátok (kék). @Helmholtz Zentrum München/Miguel A. Pleitez
Az anyagcsere-betegségek, például a cukorbetegség és az elhízás világszerte növekszik, mivel nemcsak a genetikai hajlam, hanem az életmód is nagy hatással van terjedésükre. Pontos ellenőrzési módszerekre van szükség annak felméréséhez, hogy az étrend vagy a testmozgási szokások megváltoztatása hogyan befolyásolja a betegségeket és a sejtek anyagcseréjét, amelyen alapulnak.
A Helmholtz Zentrum München Biológiai és Orvosi Képalkotó Intézetének tudósai és a TUM TranslaTUM biológiai képalkotásának elnöke úttörő technológiát fejlesztettek ki erre a célra. Ennek a módszernek az a meghatározó előnye, hogy az élő sejtekben lévő biomolekulákat valós időben, nagy kontrasztú, markerek és kontrasztanyagok hozzáadása nélkül képezik le. Ezt a képalkotó rendszert értékelték a müncheni Helmholtz Center Diabetes és Rák Intézetével és a Heidelbergi Egyetemi Kórház együttműködésével.
A fény és az ultrahang biomolekulák képét hozza létre a sejtekben és a szövetekben
A „közép-infravörös optoakusztikus mikroszkópia” vagy röviden a MiROM „ujjlenyomat-specifikus” molekuláris rezgéseket generál azáltal, hogy a molekulákat lézerfénnyel a közép-infravörös tartományban izgatja. Bizonyos hullámhosszak szelektív abszorpciója különböző molekulák által termoelasztikus terjeszkedéshez vezet - az ultrahangos hullámokat előidéző molekulák apró térfogat-kiterjesztése. Ezeket a hullámokat úgy rögzítik és dolgozzák fel, hogy az egyes molekulák eloszlása grafikusan ábrázolható legyen.
Ennek az új módszernek a korábbi technikákkal szembeni döntő előnye, hogy nem korlátozódik szárított, rögzített mintákra, hanem élő sejteken is alkalmazható: A MiROM hamisítatlan, pontos ábrázolást nyújt a metabolitok számára, mivel az akusztikus hullámok nem olyan erősek, mint a szövetből származó fotonok és A víz felszívódhat. „A MiROM áttörést kínál a mikroszkópia terén: A hagyományos infravörös spektroszkópiában a középső infravörös tartományban a magasabb biomolekulakoncentráció magasabb jelveszteséghez vezet. A MiROM viszont ezt pozitív kontrasztmodálissá alakítja, nagyobb koncentrációval erősebb jeleket szolgáltatva. Az új technológia lehetővé teszi a biomolekulák marker nélküli képalkotását, ami sokkal érzékenyebb, mint a Raman-módszerek ”- magyarázza Prof. Vasilis Ntziachristos, a Biológiai és Orvosi Képalkotó Intézet igazgatója és a Biológiai Képalkotás elnöke.
Figyelje meg az interakciókat valós időben
„A MiROM új betekintést nyújt a sejtek szubpopulációinak viselkedésébe idővel. Ezenkívül nemcsak a lipidek, hanem a szénhidrátok és a fehérjék valós időben történő kimutatására is felhasználhatjuk ”- mondja Miguel Pleitez, a rendszerfejlesztési vezető. A metabolitok marker nélküli megjelenítése lehetővé teszi a molekuláris folyamatok teljesen új módszerekkel történő vizsgálatát, például a zsír tárolásában és felszabadításában a fehér és barna zsírsejtek lebontása során, amely lipolízis néven ismert. Ezenkívül számos más anyagcsere-folyamat és a különböző biomolekulák kölcsönhatásai is vizsgálhatók.
A cukorbetegség, az elhízás vagy az életmód megváltoztatása, beleértve az étrendet és a testmozgást, befolyásolja az anyagcsere folyamatokat. E folyamatok közül sok megfigyeléséhez azonban markerek és kontrasztanyagok alkalmazása kellett, amelyek bevezetése bonyolult, és amelyek ronthatják a vizsgált biológiai funkciót. Ez az új technológia forradalmasíthatja a sejtek anyagcsere-kutatását: "A MiROM egyedülálló, marker nélküli megfigyelést kínál az élő sejtekben zajló anyagcsere-folyamatokról valós időben, amellyel dinamikusan megvizsgálhatók a különféle étrendek hatásai sejtszinten, vagy felmérhető az új gyógyszerosztályok hatékonysága" - mondja Pleitez. Annak érdekében, hogy még részletesebb betekintést nyerhessen a betegségek, például a rák széles körébe, a csapat jelenleg azon dolgozik, hogy tovább növelje a MiROM sebességét, felbontását és érzékenységét.
A laboratóriumi mikroszkópon végzett első alkalmazások pontos metabolikus folyamatokat mutattak ki a sejtekben és az eltávolított szövetekben. „Hosszú távon szeretnénk úgy adaptálni a technológiát, hogy az lehetővé tegye az emberek mérését. Közvetlenül meg akarjuk figyelni és elemezni a szisztémás folyamatokat az életmód változásával kapcsolatban, hogy ezeket az ismereteket felhasználjuk a betegségmegelőzési stratégiák optimalizálására. ”- magyarázza Ntziachristos.
Az ezekhez az eredményekhez vezető kutatást a Német Kutatási Alapítvány (DFG, Gottfried Wilhelm Leibniz-díj 2013; NT 3/10-1) és az Európai Kutatási Tanács (ERC) finanszírozta az Európai Unió Horizont 2020 kutatási és innovációs programjának keretében a finanszírozási megállapodás részeként. Nem támogatott 694968 (PREMSOT).
Eredeti kiadvány:
M. A. Pleitez és mtsai, 2019: Címke nélküli metabolikus képalkotás közepes infravörös optoakusztikus mikroszkóppal az élő sejtekben. Nature Biotechnology, DOI: 10.1038/s41587-019-0359-9.
A Helmholtz Zentrum München német Egészségügyi és Környezetvédelmi Kutatóközpontként a személyre szabott orvoslás fejlesztésének célját követi olyan széles körben elterjedt betegségek diagnosztizálására, terápiájára és megelőzésére, mint a diabetes mellitus, allergia és tüdőbetegségek. Ehhez megvizsgálja a genetika, a környezeti tényezők és az életmód kölcsönhatását. A központ központja Neuherbergben található München északi részén. A Helmholtz Zentrum München körülbelül 2500 embert foglalkoztat és tagja a Helmholtz Szövetségnek, amelyhez 19 tudományos-műszaki és orvosi-biológiai kutatóközpont tartozik, mintegy 37 000 alkalmazottal.
A Biológiai és Orvosi Képalkotó Intézet (IBMI) az élettudományok számára kutat in vivo képalkotó technológiákat. Fejleszt rendszereket, elméleteket és módszereket a képalkotáshoz és a kép rekonstrukciójához, valamint állatmodelleket fejleszt az új technológiák biológiai, preklinikai és klinikai szintű teszteléséhez. A cél innovatív eszközök biztosítása az orvosbiológiai laboratórium számára, az emberi betegségek diagnosztizálásához és terápiás monitorozásához.