Ny billeddannelsesteknik, der kan se molekylær dynamik i neurodegenerative sygdomme

Forskere har udviklet en hurtig og praktisk billeddannelsesteknik i molekylær skala, der kunne lade forskere se dynamikken i biologiske processer, der er involveret i neurodegenerative sygdomme som Alzheimers sygdom og multipel sklerose.

Den nye teknik afslører en prøves kemiske sammensætning samt orienteringen af ​​molekyler, der udgør den prøve, oplysninger, der kan bruges til at forstå, hvordan molekyler opfører sig. Hvad mere er, den indhenter disse oplysninger på få sekunder, betydeligt hurtigere end de minutter, der kræves af andre teknikker. Den hurtigere hastighed betyder, at det for første gang vil være muligt at se sygdomsudvikling i levende dyremodeller på molekylært niveau. Med videre udvikling, teknikken kan også bruges til at opdage tidlige tegn på neurodegenerative sygdomme hos mennesker.

I Optica , The Optical Society's journal for high impact research, forskere ledet af Sophie Brasselet fra Institut Fresnel, CNRS, Aix Marseille Université, Frankrig, rapportere deres nye teknik, kaldet højhastigheds-polarisering løst sammenhængende Raman-spredning. De brugte kunstige lipidmembraner til at demonstrere teknikkens muligheder for at forbedre neurologisk forskning.

De kunstige membraner, der blev brugt i undersøgelsen, er lavet af pakkede lag af lipider, der ligner dem, der findes i myelinskeden, der dækker axoner for at hjælpe elektriske impulser med at bevæge sig hurtigt og effektivt. Når sygdomme som Alzheimers og multipel sklerose skrider frem, disse lipider begynder at desorganisere, og lipidlagene mister deres vedhæftning. Dette får i sidste ende myelinskeden til at løsrive sig fra axonet og fører til funktionsfejl i neurale signaler.

"Vi designede en teknik, der er i stand til at forestille molekylær organisation i celler og væv, der i sidste ende kan lade os se den tidlige fase af denne løsrivelse, og hvordan lipider er organiseret inden for denne myelinskede, "sagde armbånd." Dette kunne hjælpe os med at forstå udviklingen af ​​sygdomme ved at identificere det stadium, hvor lipider begynder at desorganisere, for eksempel, og hvilke molekylære ændringer der sker i løbet af denne tid. Dette kan muliggøre nye målrettede lægemiddelbehandlinger, der fungerer anderledes end dem, der bruges nu. "

Ser molekyler i realtid

Den nye teknik udviklet af Brasselet og hendes forskerhold gør brug af en ikke -lineær effekt kaldet sammenhængende Raman -spredning, der opstår, når lys interagerer med molekyler. Frekvensen, eller bølgelængde, af det ikke -lineære signal giver den kemiske sammensætning af en prøve baseret på dens molekylære vibrationer, uden behov for at tilføje yderligere fluorescerende etiketter eller kemikalier.

Forskerne byggede på en eksisterende tilgang kaldet stimuleret Raman -spredning, som forstærker Raman -signalet ved at modulere laserlysets intensitet, eller magt. For at opnå molekylær orienteringsinformation fra det sammenhængende Raman -signal, forskerne brugte en elektro-optisk enhed kaldet en Pockels-celle til hurtigt at modulere laserens polarisering frem for dens intensitet.

"Vi tog begrebet intensitetsmodulation, der blev brugt til stimuleret Raman-spredning, og omdannede det til polarisationsmodulering ved hjælp af en hylde-enhed, "sagde armbånd." Signaldetekteringen for vores teknik ligner meget det, der gøres med stimuleret Raman -spredning, bortset fra at i stedet for kun at detektere lysets intensitet, vi opdager polarisationsinformation, der fortæller os, om molekyler er meget orienterede eller totalt uorganiserede. "

Nøglen, imidlertid, er at erhverve orienteringsinformation hurtigt nok til at fange stærkt dynamiske biologiske processer på et molekylært niveau. Tidligere metoder var langsomme, fordi de fik et billede, derefter polariseringsoplysningerne, og gentog derefter processen for at fange ændringer over tid. Ved at modulere laserpolarisationen meget hurtigt, forskerne kunne tage målinger pixel for pixel, i realtid.

Med den nye tilgang, det tager mindre end et sekund at erhverve lipidorienteringsinformation i et stort billede, der indeholder flere celler. Denne information bruges derefter til at konstruere en sekvens af "lipid -orden" -billeder, der viser molekylær orienteringsdynamik på subsekunders tidsskalaer.

Måling af enkeltmembraner

Forskerne viste, at deres teknik kunne afsløre deformation og lipidorganisation i kunstige lipidmembraner, der ligner de pakkede membraner af myelin. Teknikken var endda følsom nok til at måle organisationen af ​​lipider omkring røde blodlegemer, som kun har en enkelt lipidmembran.

"Selvom vi kun demonstrerede teknikken med modelmembraner og enkeltceller, denne teknik kan oversættes til biologisk væv, "sagde armbånd." Det vil vise os, hvordan molekyler opfører sig, information, der ikke er tilgængelig fra morfologiske billeder i mikronskala taget med traditionelle mikroskopiteknikker. "

Brasselet sagde, at den nye teknik kunne bruges i den nærmeste fremtid til bedre at forstå progression i sygdomme, der involverer en nedbrydning af myelinskeden, såsom Alzheimers og multipel sklerose. For eksempel, det kunne bruges til at forestille neuroner i levende mus ved at kombinere Raman -spredningsteknikken med eksisterende metoder, hvor små vinduer implanteres i hjernen og rygmarven hos forsøgsdyr.

"Ultimativt, vi vil gerne udvikle sammenhængende Raman -billeddannelse, så den kan bruges i kroppen til at opdage sygdomme i deres tidlige stadier, "sagde armbånd." For at gøre dette, teknikken skulle tilpasses til at arbejde med endoskoper eller andre værktøjer under udvikling, der tillader lysbaseret billeddannelse inde i kroppen. "