At se enkeltceller med lyd

Hvis du er en forsker, der gerne vil se, hvordan kun nogle få celler i en organisme opfører sig, det er ikke nogen nem opgave. Den menneskelige krop indeholder cirka 37 billioner celler; frugtfluen, der flagrer rundt om de overmodne bananer på din disk, har måske 50, 000 celler. Selv Caenorhabditis elegans, en lille orm, der almindeligvis bruges i biologisk forskning, kan have så mange som 3, 000 celler. Så, hvordan overvåger du et par mikroskopiske pletter midt i alt det?

Forskere, der arbejder i Caltech-laboratoriet hos Mikhail G. Shapiro, professor i kemiteknik og Heritage Medical Research Institute Investigator, har fundet en måde.

Den nye teknik gør brug af såkaldte akustiske reportergener, hvoraf Shapiro har været en banebrydende udvikler. For at forstå akustiske reportergener, først ved, at reportergener er et specialiseret udsnit af DNA, som forskere kan indsætte i en organismes genom for at hjælpe dem med at forstå, hvad den gør. Historisk set, reportergener har kodet for fluorescerende proteiner. For eksempel, hvis en forsker indsætter et af disse reportergener ved siden af ​​et gen, de ønsker at studere – for eksempel det gen, der er ansvarlig for udviklingen af ​​neuroner - aktiveringen af ​​disse neuron gener vil også producere fluorescerende proteinmolekyler. Når den rigtige slags lys skinner på disse celler, de vil lyse op, lidt ligesom hvordan en highlighter kan markere en bestemt passage i en bog.

Disse fluorescerende reportergener har dog en stor ulempe:lys trænger ikke særlig langt gennem levende væv.

Så, Shapiro har udviklet reportergener, der bruger lyd i stedet for lys. Disse gener, når det indsættes i en celles genom, få det til at producere mikroskopiske hule proteinstrukturer kendt som gasvesikler. Disse vesikler findes normalt i visse arter af bakterier, der bruger dem til at holde sig flydende i vand, men de har også den nyttige egenskab at "ringe", når de rammes af ultralydsbølger.

Tanken er, at når en celle, der producerer disse vesikler, afbildes med ultralyd, det vil udsende et akustisk signal, der annoncerer sin tilstedeværelse, giver forskerne mulighed for at se, hvor den er, og hvad den laver. Denne teknik er blevet brugt til at vise aktiviteten af ​​enzymer i celler i tidligere arbejde fra Shapiros laboratorium.

I deres seneste avis, forskerholdet beskriver, hvordan den har øget følsomheden af ​​denne teknik så meget, at den nu kan afbilde en enkelt celle, placeret i kropsvæv, der bærer et akustisk reportergen.

"I sammenligning med tidligere arbejde med gasvesikler, dette papir giver os mulighed for at se meget mindre mængder af disse gasvesikler, " siger Daniel Sawyer (PhD '21), hovedforfatter og tidligere bioingeniør-ph.d.-studerende i Shapiros laboratorium. "Dette er som at gå fra en satellit, der kan se lysene i en lille by til en, der kan se lyset fra en enkelt lygtepæl."

Deres forbedringer repræsenterer en stigning på mere end 1000 gange i følsomhed i forhold til den tidligere teknik, de havde brugt til at afbilde celler, der bærer de akustiske reportergener. Forskellen ligger i den ultralyd, de bruger, og hvordan gasvesiklerne reagerer på det.

Mens den tidligere billedbehandlingsteknik var afhængig af, at vesiklerne ringede som en klokke, der er blevet slået, den nye teknik bruger stærkere ultralyd, der "popper" vesiklerne som en ballon.

"Vesiklerne producerer et meget stærkt signal i det øjeblik, " siger Shapiro. "Så knækker vesiklerne og holder op med at give et signal. Vi leder efter den lille blip."

Det blip er så tydeligt, at det nemt kan opdages af forskerne, selv midt i al baggrundsstøj produceret af ultralyd, der trænger gennem væv. Shapiro siger, at nyligt arbejde med konstruerede stammer af injicerbare bakterier, der angriber kræftceller, eller "tumor-homing" bakterier, skaber et behov for bedre måder at spore disse celler for at se, hvor i kroppen de lander. Forskerne viste, at når bakterierne også blev konstrueret til at bære gas-vesikel-genet, det var muligt at spore individuelle bakterieceller, når de kom ind i og rejste gennem leveren efter at være blevet injiceret i blodbanen.

Sawyer siger, at dette niveau af følsomhed er nødvendigt, hvis forskere ønsker at bruge ultralyd til at studere sammensætningen af ​​tarmmikrobiomet, hvilken, når det bliver forstyrret, kan påvirke tilstande som Alzheimers sygdom og autisme.

"Der er så mange arter af bakterier i din tarm, og nogle er så sjældne, at du har brug for noget følsomt nok til at se kun de få af dem dybt inde i kroppen, " han siger.

Skader cellerne at slå vesiklerne inde i cellerne? Ingen, ikke rigtig.

"Det korte svar er nej, og det lange svar er nej i de fleste praktiske tilfælde, " siger Sawyer. "Der er nogle tilfælde, hvor enkelte bakterieceller, der er meget små og har en meget stor mængde af disse gasvesikler, bliver beskadiget, men det gør ikke den store forskel for bakteriepopulationen, hvis nogle få af dem bliver mindre levedygtige. Og i pattedyrsceller, vi så ingen negativ effekt."

Shapiro og Sawyer forfølger to veje for deres forskning fremadrettet. Den ene vej vil bygge videre på, hvad forskerne allerede har udviklet for at skabe mere avancerede billeddannelsesteknikker. Det vil involvere konstruktion og test af nye slags vesikler, der har forskellige egenskaber, såsom vesikler, der springer lettere, eller vesikler, der er mere robuste, eller mindre vesikler, der kan passe ind på steder, som større vesikler ikke kan. Den anden vej er at finde praktiske anvendelser af den teknologi, de har udviklet, siger Sawyer.

"I det optiske mikroskopi område, der var denne co-evolution af optiske prober og mikroskopimetoder med teknikker som to-fotonmikroskopi og lysarkmikroskopi [begge er typer af fluorescerende mikroskopi], "Siger Shapiro. "Dannys papir er en del af udviklingen af ​​ultralydsanalogen til disse billeddannelsesteknikker."

Detaljer om processen blev offentliggjort i Naturens metoder .