Kortlægning af den indre funktion i en levende celle

Billedværktøjer som røntgenstråler og MR har revolutioneret medicin ved at give læger et nærbillede af hjernen og andre vitale organer i livet, indånder mennesker. Nu, Columbia University -forskere rapporterer om en ny måde at zoome ind på de mindste skalaer for at spore ændringer i individuelle celler.

Beskrevet i det seneste nummer af Naturkommunikation , værktøjet kombinerer et meget brugt kemisk sporstof, D2O, eller tungt vand, med en relativt ny laser-billeddannelsesmetode kaldet stimuleret Raman-spredning (SRS). Teknikens potentielle anvendelser omfatter at hjælpe kirurger hurtigt og præcist med at fjerne tumorer, til at hjælpe med at opdage hovedskader og udviklings- og metaboliske lidelser.

"Vi kan bruge denne teknologi til at visualisere metaboliske aktiviteter i en lang række dyr, "sagde undersøgelsens seniorforfatter Wei Min, en kemiprofessor ved Columbia University. "Ved at spore, hvor og hvornår nye proteiner, lipider og DNA -molekyler dannes, vi kan lære mere om, hvordan dyr udvikler sig og ældes, og hvad går galt i tilfælde af skade og sygdom. "

Gennembruddet indebærer brug af tungt vand som et kemisk sporstof. Lavet ved at bytte vandets brintatomer med deres tungere slægtning, deuterium, tungt vand ligner og smager som almindeligt vand og i små doser (ikke mere end fem spiseskefulde til mennesker) er det sikkert at drikke. Når de er metaboliseret af celler i kroppen, tungt vand er inkorporeret i nylavede proteiner, lipider og DNA, hvor deuterium danner kemiske bindinger med kulstof.

Når disse carbon-deuterium-bindinger bliver ramt af lys, de vibrerer ved forskellige frekvenser, forskerne opdagede, tillader hvert makromolekyle at blive identificeret som et protein, lipid eller DNA. Fra disse frekvens signaturer, de kunne spore væksten af ​​nye proteiner, lipider og DNA i dyrets hjerne, hud, tarm og andre organer.

Selvom tungt vand allerede bruges til at mærke proteiner og lipider til at spore metaboliske ændringer, analyse udføres i øjeblikket på et massespektrometer, på celler udvundet fra kroppen. Denne metode gør det nu muligt at visualisere subcellulære ændringer i realtid og rum. "Vi får et kontinuerligt billede af, hvad der sker inde i levende dyreceller. Tidligere har vi havde kun et øjebliksbillede, "sagde undersøgelsens medforfatter, Lingyan Shi, en postdoktor ved Columbia.

I undersøgelsen, forskerne fortyndede almindeligt vand med D2O og gav det til rundorme, mus og zebrafiskembryoner at drikke. Rettet SRS -laseren mod en række forskellige væv, de så over timer og dage som nye deuterium-mærkede proteiner, lipider og DNA opbygget.

I et forsøg, de så en lys streg dukke op omkring hurtigt voksende hjerne- og tyktarm i musene. Da kræftcellerne delte sig, mere deuterium blev inkorporeret i deres nyfremstillede proteiner og lipider. "Denne metode skaber en skarp linje mellem sundt og kræftvæv, gør det meget lettere at fjerne tumoren, "sagde Shi.

Eksperimenterne tilbød også ny indsigt i celleudvikling og aldring.

*I rundormen, de så fedtproduktionen stige og falde i ormens reproduktive system, da den blev ældre. Fedt hjælper ormens æg til at modnes, og når dette tilsatte fedt ikke længere var nyttigt, fedtdannelse bremset, de fandt. De så også klumper af nyt protein i den ældre orms krop, tyder på, at deuterium-mærket SRS-billeddannelse kan bruges til at spore proteinaflejringer, og dermed aldersrelateret sygdom.

*I udviklingen af ​​hjernen hos babymus, de observerede dannelsen af ​​et lag isolerende fedt, kaldet myelinskeden, omkring hver celle. At se processen i realtid foreslog forskerne, at deuterium-mærket SRS-billeddannelse kunne bruges til at fortælle, om et barns hjerne udvikler sig korrekt, eller hvis patienter, der lider af multipel sklerose, en sygdom, der angriber hjernens myelin og forstyrrer informationsstrømmen, kan komme sig.

*I svedkirtelcellerne hos mus, de så på, hvordan nye lipider dannedes i celler ved yderkanterne af svedkirtlerne, skubber ældre celler indad. Da de gamle celler endelig nåede kirtlernes centrum, de døde og blev udvist i en proces, der menes at fugte huden og håret ovenfor.

"Det skønne ved denne kortlægningsmetode er dens enkelhed, "siger Eric Potma, en kemiprofessor ved University of California i Irvine, der ikke var involveret i undersøgelsen. "Det producerer levende billeder af metabolisk aktivitet i væv med tilsyneladende minimal indsats. Da SRS -mikroskopet fortsat bliver mindre, deuterium-mærket SRS-billeddannelse kan hjælpe med at fange tumorer på meget tidligere stadier. "

Handlede ud fra en anelse om, at grundstoffet kom i en tungere form, Harold Urey, derefter en kemiprofessor ved Columbia, lykkedes det at adskille deuterium fra flydende brint i 1931. Opdagelsen gav ham en Nobelpris i kemi tre år senere. Ud over at tjene som sporstof i massespektroskopi, deuterium i dag bruges til at spore ændringer i havcirkulationen, studere dannelsen af ​​stjerner, og modulere kemiske reaktioner ved fremstilling af atomkraft.