Måling af lægemiddelinducerede molekylære ændringer i en celle i sub-bølgelængde skala

Synchrotron InfraRed Nanospektroskopi er blevet brugt for første gang til at måle biomolekylære ændringer induceret af et lægemiddel (amiodaron) i humane celler (makrofager) og lokaliseret i 100 nanometer skala, dvs. to størrelsesordener mindre end IR -bølgelængden, der bruges som sonde. Dette blev opnået ved Multimode InfraRed Imaging og Micro Spectroscopy (MIRIAM) beamline (B22) ved Diamond Light Source, Storbritanniens nationale synkrotronfacilitet.

Dette er et stort videnskabeligt resultat i Life Sciences, der deles af et internationalt team, som et kollaborativt beamtime blandt forskerne fra School of Cancer and Pharmaceutical Science ved Kings College London, Institut for Farmaceutisk Teknologi og Bio-Apotek ved Universitetet i Wien, og forskerne på MIRIAM B22 beamline ved Diamond.

Deres seneste papir, nu udgivet i Analytisk kemi , hedder "Synchrotron fototermisk IR nanospektroskopi af makrofager lægemiddelinduceret phospholipidose." Det skitserer anvendelsen af ​​den såkaldte Resonance Enhanced InfraRed Atomic Force Microscopy (RE AFM IR) af Synchrotron Radiation, at forhøre biologisk stof på subcellulært niveau, i dette tilfælde en cellulær model for lægemiddelinduceret phospholipidose (DIPL). I stedet for den traditionelle metode til evaluering af DIPL - dvs. visuel bekræftelse ved elektronmikroskopi af lipidlegemerne eller brugen af ​​fluorescensmærkningsteknik - de brugte IR -bredbåndsbelysning med Diamond synchrotron sammen med AFM -detektion for at opnå både molekylær specificitet og forbedret rumlig opløsning, der er nødvendig for at lokalisere metaboliske ændringer i cellen.

Dr. Andrew Chan fra King's College London som hovedforsker forklarer, "Modelundersøgelsen baseret på J774A-1 makrofager eksponeret/ikke udsat for amiodaron har klart vist, at RE AFM IR med synkrotronstråling er i stand til at udtrække lokal molekylær information fra små organeller inden for en enkelt celle på en etiketfri måde. Dette er bemærkelsesværdigt fordi bestemmelsen af ​​lipidindhold i vakuoler er afgørende for undersøgelsen af ​​DIPL. Dette vil have stor indflydelse på udviklingen af ​​inhalerede lægemidler, hvorved DIPL er en af ​​de vigtigste indikationer på negativ reaktion fra kroppen på fremmede partikler. "

AFM-topografikort viste, at amiodaronbehandlede celler havde forstørret cytoplasma, og tynde områder af kollapsede vesikler. Infra Red (IR) -kortene over hele cellen blev analyseret ved at udnytte det samlede IR-signal versus AFM-afledt celletykkelse, også på lateral opløsning omkring 100 nm. Vibrationsbåndstildeling af nanospectra var også mulig:alle karakteristiske toppe for lipider, proteiner, og DNA/RNA blev identificeret. Derudover både båndforhold og uovervåget kemometrisk analyse af Synchrotron IR nanospectra fra cellernes nukleare og perinukleære områder viste, at cytoplasmaet af amiodaronbehandlede celler havde signifikant forhøjede båndintensiteter i de regioner, der svarer til phosphat- og carbonylgrupper, angiver påvisning af phospholipidrige inklusionslegemer, der er typiske for celler med DIPL.

Principiel beamline -videnskabsmand ved MIRIAM beamline ved Diamond og en af ​​værkets forfattere, Dr. Gianfelice Cinque, siger, "Vores eksperiment er - så vidt jeg ved - en verden først af Synchrotron fototermisk IR Nano -spektroskopi inden for biovidenskab, og beviste, at fototermisk IR -nanospektroskopi med succes kan scanne over pattedyrsceller og afsløre det indre molekylære fingeraftryk via hele IR -spektret, takket være Synchrotron IR bredbåndsdækning. "

Han forklarede, at cellemodelsystemet og lægemiddelbehandlingen eksemplificerede metodens evne ved rumligt at lokalisere morfologi og biokemi i subcellulær skala. Det bemærkelsesværdige var, at den opnåede nanospectra -kvalitet var sådan, at typiske vibrationstræk observeret ved IR -mikroskopi på biologiske celler tydeligt blev fanget, men for første gang på nanoskala, tilvejebringelse af subcellulære biokemiske oplysninger på en etiketfri måde. Han tilføjer, "Denne præstation har været konklusionen på en lang eksperimentel indsats fra IR beamline B22 -teamet af Diamond - især ekspertarbejdet af Dr. Mark Frogley og Dr. Ioannis Lekkas."

Han forklarede videre, at MIRIAM beamline (B22) -kundskab inden for Synchrotron IR Nano -spektroskopi - dvs. Synchrotron RE-AFM-IR spektroskopi-tilbyder enestående kemisk og morfologisk indsigt ved sub-bølgelængde eller 100 nm opløsning på tværs af en række virkelige undersøgelser, især inden for blødt stof, såsom mikroplastisk effekt i levende væv, fænomener med antimikrobielle overflader, mikrofossil og biogeologi i submikronskala, organisk mikroelektronisk analyse, mikrokompositmaterialer og mesostrukturer.

Mere forskningskapacitet tilbydes snart på MIRIAM beamline B22, som en ny nanoIR slutstation forventes fra midten af ​​2021. Ud over den nuværende ekspertise inden for Synchrotron IR fototermisk nanospektroskopi, opgraderingen tillader nye metoder (f.eks. AFM IR i tappemodus), og afgørende komplementere dem med IR-spredning scanning optisk mikroskopi (s-SNOM), skubber den rumlige opløsning endnu mere på 10s nanometer skalaen.