En ny billeddannende tilgang til overvågning af cellemetabolisme

Forskere ved EPFL har brugt en ny billeddannelsesteknik til at overvåge, hvordan glukose, vores vigtigste energikilde, bruges i kroppen. Deres fund kan have store konsekvenser for sygdomme som diabetes.

Glukose er afgørende for produktionen af ​​energi i vores kroppe, og dets niveau i blodet skal holdes omhyggeligt, især i følsomme organer som hjernen. I vores celler, glukose er lagret i et molekyle kaldet glykogen. Men på trods af glykogens betydning ved lidelser som diabetes og hypoglykæmi, dets fordeling og stofskifte i kroppen er forblevet uhåndgribelig. Ved hjælp af en ny billedteknologi kaldet NanoSIMS – tidligere brugt for eksempel på meteoritprøver – har forskere ved EPFL været i stand til at spore, hvordan glykogen bruges i celler i leveren og hjernen. Deres arbejde udgives i Nanomedicin .

Forstå hvordan celler opbevarer, distribuere og metabolisere glykogen er centralt i behandlingen af ​​associerede lidelser som diabetes og hypoglykæmi, som begge er karakteriseret ved en nedsat nedbrydning af glykogen, hvilket resulterer i, at der frigives mindre glukose i blodet og efterfølgende energitab. Glykogenudtømning forårsager også et almindeligt fænomen kaldet "at ramme væggen" hos langdistanceudøvere som maratonløbere, langrendsløbere, og cyklister.

På trods af at den er af central betydning for vores krops funktion, fordelingen af ​​glykogen over tid er stadig uklar. En af grundene er, at den sædvanlige billedbehandlingsteknik, der bruges til at spore det, magnetisk resonansbilleddannelse eller MR, ikke har den nødvendige følsomhed til at opnå den nødvendige rumlige opløsning til at afbilde glykogen inde i individuelle celler.

Ledet af Arnaud Comment og Anders Meibom hos EPFL, i et samarbejde, der omfatter kolleger fra EPFL og UNIL, forskerne har brugt en ny billedteknologi til med succes at spore udviklingen af ​​glykogen i leveren og hjernen hos mus over tid. NanoSIMS (SIMS står for Secondary Ion Mass Spectrometry) er en ionmikroprobe, der bombarderer en fast prøve med en stråle af "tunge" partikler, såsom cæsiumatomer. Bombardementet tvinger ioner fra prøven til at blive udstødt, og de identificeres derefter med et massespektrometer. Udlæsningen fra individuelle ioner bruges derefter til at identificere de kemiske komponenter i prøven.

NanoSIMS kan overstige opløsningen af ​​konventionelle MR-systemer, da den kan scanne en prøve med ultrahøj rumlig opløsning på 100 nanometer (ca. 1/100 af en celles længde). Det betyder, at NanoSIMS kan spore molekyler inde i en celle, noget, som Comment og hans kolleger benyttede sig af. "Spørgsmålet var, kan vi faktisk opdage, hvor glukose omdannes til glykogen? "siger Comment." Så et af vores mål var at se, hvordan glykogen fordeles over tid i leverceller og i hjernen, og også for at bestemme den hastighed, hvormed glucose er inkorporeret i glykogen i disse celler."

Forskerne brugte NanoSIMS på lever- og hjernevævsprøver, som tidligere var blevet beriget med en type glukose, der kan spores i billeddannelse. Imidlertid, NanoSIMs billeder vises som farver og linjer, og er ikke tilstrækkelige til at lokalisere molekyler i en celle. Af denne grund, prøverne blev også fotograferet med et elektronmikroskop, som gav et egentligt billede af vævet og cellerne. Holdet lagde derefter NanoSIMS-billedet over det rigtige fotografi fra elektronmikroskopet, og kunne derefter få et komplet billede af glykogenfordelingen i lever- og hjerneceller.

Ved at bruge denne metode med forskellige tidsintervaller, forskerne var i stand til at spore, hvordan glykogen dannes over tid, og i hvilke dele af cellerne. Deres resultater viste, at leverceller lagrer glucose i glykogen næsten 25 gange hurtigere end hjerneceller (astrocytter). "Det er første gang, at dette fænomen måles i så lille skala, "siger Kommentar.

Metoden kan bruges til at spore andre biologiske molekyler, såsom neurotransmittere i hjernen. Det er noget, som Comment's team planlægger at gøre næste gang, sigter på at bruge deres nye tilgang til at opnå billeddannelse i høj opløsning af, hvordan signalmolekyler fordeles og metaboliseres i forskellige dele af hjernen. Holdet arbejder også på at forbedre præcisionen og nøjagtigheden af ​​detektion ved at kombinere det med fluorescensbilleddannelse.