Ny sensor måler calciumkoncentrationer dybt inde i vævet

Nøgleprocesser i kroppen styres af koncentrationen af ​​calcium i og omkring celler. Et hold fra det tekniske universitet i München (TUM) og Helmholtz Zentrum München har udviklet det første sensormolekyle, der er i stand til at visualisere calcium i levende dyr ved hjælp af en strålingsfri billedbehandlingsteknik kendt som optoakustik. Metoden kræver ikke, at cellerne er genetisk modificerede og involverer ingen strålingseksponering.

Calcium er et vigtigt budbringer i kroppen. I nerveceller, for eksempel, calciumioner bestemmer, om signaler videresendes til andre nerveceller. Og om en muskel trækker sig sammen eller slapper af afhænger af koncentrationen af ​​calcium i muskelcellerne. Dette gælder også for hjertet.

"Fordi calcium spiller en så vigtig rolle i essentielle organer som hjertet og hjernen, det ville være interessant at kunne observere, hvordan calciumkoncentrationer ændrer sig dybt inde i levende væv og på denne måde forbedre vores forståelse af sygdomsprocesser. Vores sensormolekyle er et lille første skridt i denne retning, " siger Gil Gregor Westmeyer, leder af studiet og professor ved Helmholtz Zentrum München. Professor Thorsten Bach fra TUM's Kemiske Institut var også involveret i undersøgelsen, som blev offentliggjort i i Journal of the American Chemical Society . Forskerne har allerede testet deres molekyle i hjertevæv og hjerner hos levende zebrafisklarver.

Calciummålinger også muligt i dybt væv

Sensoren kan måles ved hjælp af en forholdsvis ny, ikke-invasiv billeddannelsesmetode kendt som optoakustik, hvilket gør den velegnet til brug i levende dyr - og muligvis også i mennesker. Metoden er baseret på ultralydsteknologi, som er uskadelig for mennesker og ikke bruger stråling. Laserimpulser opvarmer det fotoabsorberende sensormolekyle i væv. Dette får molekylet til at udvide sig kort, resulterer i generering af ultralydssignaler. Signalerne detekteres derefter af ultralydssensorer og omsættes til tredimensionelle billeder.

Lyset spredes, når det passerer gennem væv. Af denne grund, billeder under et lysmikroskop bliver slørede i dybder på mindre end en millimeter. Dette fremhæver en anden fordel ved optoakustik:Ultralyd undergår meget lidt spredning, giver skarpe billeder selv på flere centimeters dybde. Dette er især nyttigt til at undersøge hjernen, fordi eksisterende metoder kun trænger nogle få millimeter under hjernens overflade. Men hjernen har så kompleks en tredimensionel struktur med forskellige funktionsområder, at overfladen kun udgør en lille del af den. Forskerne sigter derfor efter at bruge den nye sensor til at måle calciumændringer dybt inde i levende væv. De har allerede opnået resultater i hjernen på zebrafisklarver.

Ikke-giftig og strålingsfri

Derudover forskerne designede sensormolekylet, så det nemt optages af levende celler. I øvrigt, det er uskadeligt for væv og virker baseret på farve:Så snart sensoren binder sig til calcium, dens farve skifter, hvilket igen ændrer det lysinducerede optoakustiske signal.

Mange i øjeblikket tilgængelige billeddannelsesmetoder til visualisering af calciumændringer kræver genetisk modificerede celler. De er programmeret, for eksempel, at fluorescere, når calciumkoncentrationen i cellen ændres. Problemet er, at det ikke er muligt at udføre sådanne genetiske indgreb i mennesker.

Den nye sensor overvinder denne begrænsning, siger forskerne. I fremtiden, forskerne planlægger at forfine molekylets egenskaber yderligere, giver mulighed for at måle sensorsignalerne i endnu dybere vævslag. Til denne ende, holdet ledet af Gil Gregor Westmeyer skal generere yderligere varianter af molekylet, der absorberer lys med en længere bølgelængde, end det menneskelige øje ikke kan opfatte.