Спостереження за біомолекулами під час танців Новий метод зображує обмінні процеси - багаті на контраст і
Зображення мікроскопа MiROM живих адипоцитів (1 мм х 1 мм): ліпіди (червоний), білки (зелений) та вуглеводи (синій). @Helmholtz Zentrum München/Miguel A. Pleitez
Хвороби обміну речовин, такі як діабет та ожиріння, зростають у всьому світі, оскільки не лише генетична схильність, але й спосіб життя мають великий вплив на їх поширення. Потрібні точні методи моніторингу, щоб мати можливість оцінити, як зміна режиму харчування чи фізичних вправ впливає на захворювання та клітинний метаболізм, на якому вони засновані.
Для цього вчені з Інституту біологічних та медичних зображень у центрі Гельмгольца в Мюнхені та кафедри біологічних зображень TranslaTUM TUM розробили новаторську технологію. Вирішальною перевагою цього методу є те, що біомолекули в живих клітинах зображуються в режимі реального часу з високою контрастністю і без додавання маркерів та контрастних середовищ. Ця система візуалізації була оцінена у співпраці з Інститутом діабету та раку при Центрі Гельмгольца в Мюнхені та Університетською лікарнею Гейдельберга.
Світло та ультразвук створюють зображення біомолекул у клітинах та тканинах
«Середньо-інфрачервона оптоакустична мікроскопія», або, коротше, MiROM, генерує «специфічні для відбитків пальців» молекулярні коливання, збуджуючи молекули лазерним світлом у середньому інфрачервоному діапазоні. Селективне поглинання певних довжин хвиль різними молекулами призводить до термоеластичного розширення - крихітних об'ємних розширень молекул, які виробляють ультразвукові хвилі. Ці хвилі реєструються та обробляються таким чином, що розподіл відповідних молекул можна представити графічно.
Вирішальною перевагою цього нового методу в порівнянні з попередніми методами є те, що він не обмежується висушеними, фіксованими зразками, але може бути використаний на живих клітинах: MiROM забезпечує непорочне, точне зображення метаболітів, оскільки акустичні хвилі не такі сильні, як фотони з тканини Вода може поглинатися. «MiROM пропонує прорив у мікроскопії: за допомогою звичайної ІЧ-спектроскопії в середній інфрачервоній області, більш висока концентрація біомолекул призводить до більших втрат сигналу. MiROM, з іншого боку, перетворює це у позитивний контрастний спосіб, з більшою концентрацією, що забезпечує сильніші сигнали. Нова технологія дозволяє безмаркерну візуалізацію біомолекул, яка є набагато чутливішою, ніж методи Рамана », - пояснює проф. Василіс Нцяхрістос, директор Інституту біологічних та медичних зображень та кафедра біологічних зображень.
Спостерігайте за взаємодією в режимі реального часу
“MiROM надає нові уявлення про поведінку субпопуляцій клітин з часом. Крім того, ми можемо використовувати його для виявлення не тільки ліпідів, а й вуглеводів та білків у режимі реального часу », - говорить Мігель Плейтес, керівник відділу розвитку системи. Безмаркерне відображення метаболітів дає можливість досліджувати молекулярні процеси абсолютно новими способами, наприклад, при зберіганні та виділенні жиру під час розщеплення білих і коричневих жирових клітин, відомих як ліполіз. Крім того, можна дослідити широкий спектр інших метаболічних процесів та взаємодії різних біомолекул.
Діабет, ожиріння або зміни способу життя, включаючи дієту та фізичні вправи, впливають на обмінні процеси. Однак спостереження за багатьма з цих процесів вимагало використання маркерів та контрастних речовин, введення яких є складним та може погіршити досліджувану біологічну функцію. Ця нова технологія може революціонізувати дослідження клітинних метаболізмів: "MiROM пропонує унікальне, без маркерів спостереження за метаболічними процесами в живих клітинах в режимі реального часу, за допомогою якого можна динамічно вивчати вплив різних дієт на клітинному рівні або оцінювати ефективність нових класів препаратів", - говорить Плейтез. Для того, щоб отримати ще більш детальну інформацію про широкий спектр таких захворювань, як рак, команда в даний час працює над подальшим збільшенням швидкості, роздільної здатності та чутливості MiROM.
Перші застосування в лабораторному мікроскопі показали точні метаболічні процеси в клітинах і видалених тканинах. «У довгостроковій перспективі ми хочемо адаптувати технологію таким чином, щоб вона могла проводити вимірювання на людях. Ми хочемо безпосередньо спостерігати та аналізувати системні процеси у зв’язку зі зміною способу життя, щоб використовувати ці знання для оптимізації стратегій профілактики захворювань ”, - пояснює Нцяхрістос.
Дослідження, що призвели до цих результатів, фінансували Німецький науково-дослідний фонд (DFG, Премія Готфріда Вільгельма Лейбніца 2013; NT 3/10-1) та Європейська дослідницька рада (ERC) в рамках програми досліджень та інновацій Європейського Союзу "Горизонт 2020" в рамках угоди про фінансування No 694968 (PREMSOT) підтримується.
Оригінальна публікація:
M. A. Pleitez та співавт., 2019: Безметочна метаболічна візуалізація методом оптоакустичної мікроскопії середньої інфрачервоної області в живих клітинах. Природні біотехнології, DOI: 10.1038/s41587-019-0359-9.
Як Німецький дослідницький центр охорони здоров'я та навколишнього середовища, Helmholtz Zentrum München переслідує мету розробити персоналізовану медицину для діагностики, терапії та профілактики таких широко поширених захворювань, як цукровий діабет, алергія та легені. Для цього він вивчає взаємодію між генетикою, факторами навколишнього середовища та способом життя. Штаб-квартира центру знаходиться в Нойберзі на півночі Мюнхена. Центр Гельмгольца в Мюнхені працевлаштовує близько 2500 людей і є членом Асоціації Гельмгольца, до якої належить 19 науково-технічних та медико-біологічних дослідницьких центрів з близько 37000 співробітників.
Інститут біологічних та медичних зображень (IBMI) досліджує технології візуалізації in vivo для наук про життя. Він розробляє системи, теорії та методи візуалізації та реконструкції зображень, а також тваринні моделі для випробування нових технологій на біологічному, доклінічному та клінічному рівнях. Метою є забезпечення інноваційних інструментів для біомедичної лабораторії для діагностики та моніторингу терапії захворювань людини.