Ny mikroskopiteknik giver nærbilleder, realtidsvisning af cellulære fænomener

I to årtier, videnskabsmænd har forfulgt en potentiel ny måde at behandle bakterielle infektioner på, ved hjælp af naturligt forekommende proteiner kendt som antimikrobielle peptider (AMP'er). Nu, MIT-forskere har optaget de første mikroskopiske billeder, der viser de dødelige virkninger af AMP'er, hvoraf de fleste dræber ved at stikke huller i bakterielle cellemembraner.

Forskere ledet af MIT professor Angela Belcher ændrede en eksisterende, ekstremt følsom teknik kendt som high-speed atomic force microscopy (AFM) for at give dem mulighed for at afbilde bakterierne i realtid. Deres metode, beskrevet i onlineudgaven af ​​14. marts af Natur nanoteknologi , repræsenterer den første måde at studere levende celler ved hjælp af billeder i høj opløsning optaget i hurtig rækkefølge.

Ved hjælp af denne type højhastigheds-AFM kan forskere undersøge, hvordan celler reagerer på andre lægemidler og på virusinfektion, siger Belcher, Germeshausen-professoren i materialevidenskab og -teknik og biologisk teknik og medlem af Koch Institute for Integrative Cancer Research ved MIT.

Det kunne også være nyttigt til at studere celledød i pattedyrceller, såsom nervecelledød, der opstår hos Alzheimers patienter, siger Paul Hansma, en fysikprofessor ved University of California i Santa Barbara, som har udviklet AFM-teknologi i 20 år. "Dette papir er et meget betydeligt fremskridt inden for den avancerede billeddannelse af cellulære processer, siger Hansma, som ikke var involveret i undersøgelsen.

Høj hastighed

Atomkraftmikroskopi, opfundet i 1986, bruges i vid udstrækning til at afbilde materialer i nanoskala. Dens opløsning (ca. 5 nanometer) er sammenlignelig med elektronmikroskopi, men i modsætning til elektronmikroskopi, det kræver ikke et vakuum og kan derfor bruges med levende prøver. Imidlertid, traditionel AFM kræver flere minutter at producere ét billede, så den kan ikke registrere en sekvens af hurtigt opståede begivenheder.

I de seneste år, forskere har udviklet AFM-teknikker med høj hastighed, men har ikke optimeret dem til levende celler. Det er, hvad MIT-teamet satte sig for at gøre, bygger på erfaringen fra hovedforfatteren Georg Fantner, en postdoktor i Belchers laboratorium, som havde arbejdet med højhastigheds-AFM ved University of California i Santa Barbara.

Atomkraftmikroskopi gør brug af en cantilever udstyret med en sondespids, der "føler" overfladen af ​​en prøve. Kræfter mellem spidsen og prøven kan måles, når sonden bevæger sig hen over prøven, afslører overfladens form. MIT -teamet brugte en cantilever omkring 1, 000 gange mindre end dem, der normalt bruges til AFM, hvilket gjorde dem i stand til at øge billedhastigheden uden at skade bakterierne.

Målingerne udføres i et flydende miljø, en anden kritisk faktor for at holde bakterierne i live.

Med den nye opsætning, holdet var i stand til at tage billeder hvert 13. sekund over en periode på flere minutter efter behandling med en AMP kendt som CM15. De fandt ud af, at AMP-induceret celledød ser ud til at være en to-trins proces:en kort inkubationsperiode efterfulgt af en hurtig "henrettelse". De var overraskede over at se, at begyndelsen af ​​inkubationsperioden varierede fra 13 til 80 sekunder.

"Ikke alle cellerne begyndte at dø på nøjagtig samme tid, selvom de var genetisk identiske og blev udsat for peptidet på samme tid, " siger Roberto Barbero, en kandidatstuderende i biologisk ingeniørvidenskab og forfatter til papiret.

De fleste AMP'er virker ved at punktere bakterielle cellemembraner, som ødelægger den sarte ligevægt mellem bakterien og dens omgivelser. Andre ser ud til at målrette mod maskiner inde i cellen. Der har været stor interesse for at udvikle AMP'er som lægemidler, der kunne supplere eller erstatte traditionelle antibiotika, men ingen er blevet godkendt endnu.

Indtil for et par år siden, man troede, at bakterier ikke kunne blive resistente over for AMPS, men nyere undersøgelser har vist, at de kan. Det nye MIT-arbejde kan hjælpe forskere med at forstå, hvordan den resistens udvikler sig.