Sledovanie biomolekúl pri tanci Nová metóda zobrazuje metabolické procesy - bohaté na kontrast a

Obrázok mikroskopu MiROM v podobe živých adipocytov (1 mm x 1 mm): lipidy (červená), bielkoviny (zelená) a sacharidy (modrá). @Helmholtz Zentrum München/Miguel A. Pleitez

sledovanie

Celosvetovo pribúdajú metabolické choroby ako cukrovka a obezita, pretože na ich šírenie má zásadný vplyv nielen genetická predispozícia, ale aj životný štýl. Vyžadujú sa presné metódy monitorovania, aby bolo možné posúdiť, ako zmena stravovania alebo pohybových návykov ovplyvňuje choroby a bunkový metabolizmus, na ktorom sú založené.

Vedci z Inštitútu pre biologické a lekárske zobrazovanie pri Helmholtz Zentrum München a predsedu pre biologické zobrazovanie pri TranslaTUM spoločnosti TUM vyvinuli pre tento účel priekopnícku technológiu. Rozhodujúcou výhodou tejto metódy je, že biomolekuly v živých bunkách sú zobrazené v reálnom čase s vysokým kontrastom a bez pridania markerov a kontrastných látok. Vyhodnotenie tohto zobrazovacieho systému sa uskutočnilo v spolupráci s Inštitútom pre cukrovku a rakovinu v Helmholtzovom centre v Mníchove a Fakultnou nemocnicou v Heidelbergu.

Svetlo a ultrazvuk vytvárajú obrazy biomolekúl v bunkách a tkanivách

„Stredná infračervená optoakustická mikroskopia“ alebo skrátene MiROM generuje „špecifické pre odtlačky prstov“ molekulárne vibrácie excitáciou molekúl laserovým svetlom v strednej infračervenej oblasti. Selektívna absorpcia určitých vlnových dĺžok rôznymi molekulami vedie k termoelastickej expanzii - nepatrným objemovým expanziám molekúl, ktoré generujú ultrazvukové vlny. Tieto vlny sa zaznamenávajú a spracúvajú tak, aby bolo možné graficky znázorniť distribúciu príslušných molekúl.

Rozhodujúcou výhodou tejto novej metódy v porovnaní s predchádzajúcimi technikami je, že sa neobmedzuje iba na vysušené, fixné vzorky, ale môže sa použiť aj na živé bunky: MiROM poskytuje nefalšované a presné zastúpenie metabolitov, pretože akustické vlny nie sú také silné ako fotóny z tkaniva a Voda sa môže vstrebávať. „MiROM ponúka prielom v mikroskopii: S konvenčnou IR spektroskopiou v strednej infračervenej oblasti vedie vyššia koncentrácia biomolekúl k vyššej strate signálu. MiROM to naopak prevádza do pozitívnej kontrastnej modality, pričom vyššia koncentrácia poskytuje silnejšie signály. Nová technológia umožňuje bezolovnaté zobrazovanie biomolekúl, ktoré je oveľa citlivejšie ako Ramanove metódy, “vysvetľuje profesor Vasilis Ntziachristos, riaditeľ Ústavu pre biologické a lekárske zobrazovanie a predseda pre biologické zobrazovanie.

Sledujte interakcie v reálnom čase

„MiROM poskytuje nové poznatky o správaní sa subpopulácií buniek v priebehu času. Okrem toho ho môžeme použiť na detekciu nielen lipidov, ale aj sacharidov a bielkovín v reálnom čase, “hovorí Miguel Pleitez, vedúci vývoja systému. Zobrazenie metabolitov bez markerov umožňuje skúmať molekulárne procesy úplne novými spôsobmi, napríklad pri ukladaní a uvoľňovaní tuku počas rozpadu bielych a hnedých tukových buniek, známych ako lipolýza. Okrem toho je možné skúmať celý rad ďalších metabolických procesov a interakcií rôznych biomolekúl.

Cukrovka, obezita alebo zmeny životného štýlu vrátane stravovania a cvičenia ovplyvňujú metabolické procesy. Pozorovanie mnohých z týchto procesov si však vyžadovalo použitie markerov a kontrastných látok, ktorých zavedenie je zložité a ktoré môžu narušiť skúmanú biologickú funkciu. Táto nová technológia môže spôsobiť revolúciu v bunkovom metabolickom výskume: „MiROM ponúka jedinečné sledovanie markerov bez metabolických procesov v živých bunkách v reálnom čase, pomocou ktorého je možné dynamicky skúmať účinky rôznych diét na bunkovej úrovni alebo hodnotiť účinnosť nových tried liekov,“ hovorí Pleitez. S cieľom získať ešte podrobnejšie informácie o širokej škále chorôb, ako je rakovina, tím v súčasnosti pracuje na ďalšom zvyšovaní rýchlosti, rozlíšenia a citlivosti MiROM.

Prvé aplikácie v laboratórnom mikroskope preukázali presné metabolické procesy v bunkách a odstránenom tkanive. „Z dlhodobého hľadiska chceme prispôsobiť technológiu tak, aby umožňovala merania na ľuďoch. Chceme priamo sledovať a analyzovať systémové procesy v súvislosti so zmenami životného štýlu, aby sme tieto poznatky mohli využiť na optimalizáciu stratégií prevencie chorôb, “vysvetľuje Ntziachristos.

Výskum vedúci k týmto výsledkom bol financovaný Nemeckou výskumnou nadáciou (DFG, Cena Gottfrieda Wilhelma Leibniza 2013; NT 3/10-1) a Európskou radou pre výskum (ERC) v rámci programu Európskej únie pre výskum a inovácie Horizont 2020 ako súčasť dohody o financovaní. Nie je podporované č. 694968 (PREMSOT).

Pôvodná publikácia:
M. A. Pleitez et al., 2019: Metabolické zobrazovanie bez značiek pomocou optoakustickej mikroskopie v strednom infračervenom spektre v živých bunkách. Nature Biotechnology, DOI: 10.1038/s41587-019-0359-9.

Helmholtz Zentrum München ako nemecké výskumné centrum pre zdravie a životné prostredie sleduje cieľ vývoja osobného lekárstva pre diagnostiku, terapiu a prevenciu rozšírených chorôb, ako je diabetes mellitus, alergie a pľúcne choroby. Za týmto účelom skúma interakciu medzi genetikou, faktormi životného prostredia a životným štýlom. Sídlo centra je v Neuherbergu na severe Mníchova. Helmholtz Zentrum München zamestnáva okolo 2 500 ľudí a je členom združenia Helmholtz, ktoré má 19 vedeckých, technických a medicínsko-biologických výskumných centier s približne 37 000 zamestnancami.

Inštitút pre biologické a lekárske zobrazovanie (IBMI) skúma zobrazovacie technológie in vivo pre biologické vedy. Vyvíja systémy, teórie a metódy zobrazovania a rekonštrukcie obrazu, ako aj zvieracie modely na testovanie nových technológií na biologickej, predklinickej a klinickej úrovni. Cieľom je poskytnúť inovatívne nástroje pre biomedicínske laboratórium na diagnostiku a monitorovanie terapie ľudských chorôb.