Dobbelt røntgenbillede hjælper med at undersøge tuberkulose og osteoporose

Med en avanceret røntgenkombinationsteknik, forskere har sporet nanocarrier for tuberkulosemedicin i celler med meget høj præcision. Metoden kombinerer to sofistikerede scanningsrøntgenmålinger og kan lokalisere små mængder af forskellige metaller i biologiske prøver ved meget høj opløsning, som et team omkring DESY videnskabsmand Karolina Stachnik rapporterer i tidsskriftet Videnskabelige rapporter . For at illustrere dens alsidighed, forskerne har også brugt kombinationsmetoden til at kortlægge calciumindholdet i menneskelig knogle, en analyse, der kan gavne osteoporoseforskning.

"Metaller spiller nøgleroller i talrige biologiske processer, fra ilttransporten i vores røde blodlegemer og mineraliseringen af ​​knogler til den skadelige ophobning af metaller i nerveceller set ved sygdomme som Alzheimers, "forklarer Stachnik, der arbejder i Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) på DESY. Højenergirøntgenstråler får metaller til at lyse op i fluorescens, en metode, der er meget følsom selv for små mængder. "Imidlertid, røntgenfluorescensmålingerne viser normalt ikke en celles ultrastruktur, for eksempel, "siger DESY -videnskabsmanden Alke Meents, der ledede forskningen." Hvis du præcist vil finde metaller i din prøve, du skal kombinere målingerne med en billeddannelsesteknik. "Ultrastrukturen omfatter detaljerne i cellemorfologien, som ikke er synlige under et optisk mikroskop.

Som biologiske prøver, såsom celler, er meget følsomme over for røntgenstråling, det er yderst fordelagtigt at forestille deres struktur samtidigt til fluorescensanalysen. Af denne grund, teamet kombinerede fluorescensmålingerne med en billeddannelsesmetode kendt som ptychography. "Et ptykografisk mikroskop ligner nogenlunde at tage et panoramabillede, "forklarer Stachnik." En udvidet prøve som en biologisk celle scannes raster med en lille sammenhængende røntgenstråle, der producerer mange overlappende billeder af dele af prøven. Disse overlappende billeder bliver derefter syet sammen bagefter. "

Den anvendte metode fungerer uden linser mellem prøven og detektoren, og som en konsekvens registreres såkaldte røntgendiffraktionsmønstre på detektoren. Hvert af disse mønstre indeholder oplysninger om den rumlige struktur for den respektive del af prøven, som kan beregnes ud fra mønsteret. "Dette resulterer endelig i et fuldt kvantitativt optisk densitetskort over prøven, "forklarer Stachnik." Via denne komplekse proces, ptychography giver rumlige opløsninger ud over de sædvanlige grænser for røntgenoptik. "

Takket være dens scannende karakter, ptychography kan kombineres med samtidig erhvervelse af røntgenfluorescensmålinger, der giver et unikt fingeraftryk af de prøvekonstituerende elementer. På denne måde, et fotografi af prøvens morfologi opnået ved ptychography kan overlejres med et elementkort. "Den samtidige kombination af disse to komplementære billeddannelsesmetoder muliggør derfor artefaktfrie korrelationer af sporelementer med den meget opløste prøves struktur, "opsummerer Meents.

En grundlæggende forudsætning er, at røntgenstrålerne kun er af en enkelt farve (monokromatisk, alle har samme bølgelængde), og at de svinger i trin (sammenhængende) som i en laser. "Tilstrækkeligt lyse, sammenhængende monokromatiske røntgenstråler med energier, der er høje nok til at lade metaller som jernfluorescens, er kun blevet tilgængelige på moderne synkrotronlyskilder som DESY's PETRA III, «siger Meents.

For at teste metoden, DESY -forskerne gik sammen med Ulrich Schaible -gruppen fra Research Center Borstel for at undersøge lokalisering og koncentration af nanocarrier for tuberkulosemedicin inden for makrofager, immunsystemets scavenger -celler. "Som regel, makrofager ødelægger patogener som vira og bakterier. Desværre, tuberkulosebakterier har formået at undgå ødelæggelse og gemme sig inde i makrofagerne i stedet, selv bruge dem til at vokse, "siger Schaible." Som en barriere for effektiv behandling, bakteriernes nicher inden for makrofager skal nås med antibiotika for at være effektive. "

En ny "trojansk hest" -strategi bruger jernbeholdere i nanometerstørrelse til at levere antibiotika direkte ind i cellerne. Disse beholdere er hule, fyldt med antibiotika og måler mindre end 20 nanometer i diameter (et nanometer er en milliontedel af en millimeter). "Makrofager sluger beholderne, og når de først er inde i cellen, burens jernvægge opløses langsomt på grund af bakteriernes behov for jern. Til sidst, antibiotika frigives og dræber bakterierne, "forklarer Schaible.

For at evaluere effektiviteten af ​​denne strategi, teamet undersøgte makrofager, der var fodret med jernbeholdere. Ved hjælp af et specielt udviklet scanningstrin ved bio-imaging og diffraktionsstråle P11 i DESYs røntgenkilde PETRA III, forskerne kunne fange ptychografiske og fluorescensbilleder af 14 celler med subcellulær opløsning og identificerede i alt 22 agglomerater af nanokontainere i dem.

I en anden ansøgning gik forskerne sammen med gruppen af ​​Björn Busse fra University Medical Center Hamburg-Eppendorf (UKE) og analyserede calciumindholdet i en prøve af menneskelig knogle. "Calcium er et vigtigt element, der gør vores knogler stærke, "forklarer medforfatter Katharina Jähn fra Busses gruppe." Dog, i tider med et højt calciumbehov, kroppen opløser det fra knoglerne, der skal bruges andre steder. Disse og andre aldersrelaterede processer kan føre til osteoporose, påvirker næsten en fjerdedel af alle kvinder i alderen over 50 år i Tyskland. "

Eksperimentel forskning om knoglemineralisering udføres normalt på små skiver knogle. "Imidlertid, kun det samlede indhold af calcium er normalt kortlagt på denne måde, "siger Stachnik." For at få et sandt mål for calciumkoncentrationen, man er nødt til at korrigere for prøvens ofte varierende tykkelse. "Teamet brugte et samtidigt opnået ptychografisk billede til at fjerne fordeling af massetykkelsen fra calciumfordelingskortet." Med denne tilgang kunne vi observere et lokalt lavere calciumindhold kl. visse punkter i knoglen, som hjælper til bedre at forstå processen med knoglesygdomme og til at kvantificere effekten af ​​knoglemineraliseringsændringer hos patienter, "understreger Stachnik.

For at forbedre metoden endnu mere, forskerne er begyndt at udvide analysen til tredimensionelle målinger. "Den eksperimentelle opsætning udvides i øjeblikket til at tillade erhvervelse af 3D-tomografiske datasæt på beamline P11, "siger Meents." Da mange synkrotroner opgraderes til at producere endnu lysere røntgenstråler, vi forventer, at metoden øger kapaciteten og bliver en rutinemæssig applikation på disse faciliteter. "

Forskningscenteret Borstel, Paul Scherrer -instituttet i Schweiz, Karlsruhe Institute of Technology, University Medical Center Hamburg-Eppendorf og DESY var involveret i denne forskning.

DESY er et af verdens førende partikelacceleratorcentre og undersøger stofets struktur og funktion - fra interaktion mellem små elementarpartikler og adfærd fra nye nanomaterialer og vitale biomolekyler til universets store mysterier. Partikelacceleratorer og detektorer, som DESY udvikler og bygger på sine lokationer i Hamburg og Zeuthen, er unikke forskningsværktøjer. De genererer den mest intense røntgenstråling i verden, fremskynde partikler for at registrere energier og åbne nye vinduer mod universet. DESY er medlem af Helmholtz Association, Tysklands største videnskabelige sammenslutning, og modtager sin finansiering fra det tyske forbundsministerium for uddannelse og forskning (BMBF, 90 procent) og de tyske forbundsstater Hamburg og Brandenburg (10 procent).