Forskere udvikler ny teknik til billeddannelse af celler og væv under huden

Forskere har mange værktøjer til rådighed til at se på konserveret væv under et mikroskop i utrolige detaljer, eller kigger ind i den levende krop ved lavere opløsning. Det, de ikke har haft, er en måde at gøre begge dele på:skabe et tredimensionelt realtidsbillede af individuelle celler eller endda molekyler i et levende dyr.

Nu, Stanford -forskere har givet det første glimt under huden på et levende dyr, viser indviklede realtidsdetaljer i tre dimensioner af lymfe og blodkar.

Teknikken, kaldet MOZART (til MOlecular imaging og karakterisering af væv ikke -invasivt ved cellulær opløsning), kunne en dag tillade forskere at opdage tumorer i huden, tyktarm eller spiserør, eller endda for at se de unormale blodkar, der optræder i de tidligste stadier af makuladegeneration - en førende årsag til blindhed.

"Vi har forsøgt at kigge ind i den levende krop og se information på niveau med den enkelte celle, "sagde Adam de la Zerda, en assisterende professor i strukturbiologi ved Stanford og seniorforfatter på papiret. "Indtil nu har der ikke været nogen måde at gøre det."

De la Zerda, som også er medlem af Stanford Bio-X, sagde, at teknikken kunne give læger mulighed for at overvåge, hvordan en ellers usynlig tumor under huden reagerer på behandling, eller at forstå, hvordan individuelle celler bryder sig fri fra en tumor og rejser til fjerne steder.

Går efter guld

Der findes en teknik til at kigge ind i et levende væv flere millimeter under huden, afslører et landskab af celler, væv og kar. Men den teknik, kaldet optisk kohærens tomografi, eller OLT, ikke er følsom eller specifik nok til at se de enkelte celler eller de molekyler, som cellerne producerer, hvilket er det, der interesserer de la Zerda.

Et stort problem har været at finde en måde at differentiere mellem celler eller væv; for eksempel, udvælge kræftcellerne begynder at formere sig inden for et generelt sundt væv. I andre former for mikroskopi, forskere har skabt tags, der låser fast på molekyler eller strukturer af interesse for at belyse disse strukturer og give et detaljeret overblik over, hvor de er i cellen eller kroppen.

Der eksisterede ikke sådanne fyrtårne ​​for OLT, selvom de la Zerda vidste, at små partikler kaldet guldnanoroder havde nogle af de egenskaber, han ledte efter. Problemet var, at de kommercielt tilgængelige nanoroder ikke producerede nær nok signal til at blive detekteret i et væv.

Hvad teamet havde brug for var nanoroder, men store. Nanoroder er analoge med orgelpiber, sagde kandidatstuderende Elliott SoRelle, fordi længere rør vibrerer ved lavere frekvenser, skabe en dyb, lav lyd. Ligeledes, længere nanoroder vibrerer ved lavere frekvenser, eller bølgelængder, af lys. Disse vibrationer spreder lyset, som mikroskopet registrerer.

Hvis alle de andre væv vibrerer i en hvid støj med højere frekvenser, længere nanoroder ville skille sig ud som lave orgelnoter midt i et rum med pludren.

SoRelles udfordring var at fremstille længere nanoroder, der ikke var giftige, stabil og meget lys, hvilket viste sig at være meget at spørge. "Min baggrund var biokemi, og dette viste sig at være et problem med materialevidenskab og overfladekemi, "sagde SoRelle, der var medforfatter til avisen. Han kan nu lave ikke -toksiske nanoroder i forskellige størrelser, der alle vibrerer ved unikke og identificerbare frekvenser.

Eliminerer støj

Den næste udfordring var at filtrere nanorodernes frekvens fra det omgivende væv.

At gøre det, elektroteknik kandidatstuderende og Bowes Bio-X Fellow Orly Liba udviklede computeralgoritmer, der kunne adskille lysfrekvenserne spredt af nanoroder i forskellige længder og differentiere dem fra omgivende væv.

Med SoRelles store nanoroder og Libas følsomme algoritmer, de la Zerda og hans team havde løst det indledende problem med at opdage specifikke strukturer i tredimensionelle billeder af levende væv. Den resulterende tredimensionelle, billeder i høj opløsning var så store - i størrelsesordenen gigapixel - at teamet havde brug for at udvikle yderligere algoritmer til analyse og lagring af så store billeder.

Teamet testede deres teknologi i øret på en levende mus, hvor de kunne se, hvordan nanoroderne blev optaget i lymfesystemet og transporteret gennem et netværk af ventiler. De var i stand til at skelne mellem to forskellige nanoroder i forskellige størrelser, der gav genlyd ved forskellige bølgelængder i separate lymfekar, og de kunne skelne mellem de to nanoroder i lymfesystemet og blodkarrene. I en undersøgelse, de kunne se individuelle ventiler i lymfekarrene åbne og lukke for at kontrollere væskestrømmen i en enkelt retning.

"Ingen har vist det detaljeringsniveau før, sagde Liba, der var medforfatter til avisen.

Umuligt mål

Denne detaljerede billeddannelse var de la Zerdas første mål, da han startede sit laboratorium i 2012, selvom han ofte blev fortalt, at det ville være umuligt. "Jeg er i en lille afdeling, men med meget dygtige fakulteter, "sagde han." Et fakultetsmedlem fortalte mig sin egen livshistorie om at tage store risici, og det opmuntrede mig. Jeg tænkte, at det ville være rigtig sjovt at se, om vi kan få det til at fungere og se celler tale med hinanden i realtid. "

Hans satsning kom først og fremmest på banen med et frøstipend fra Stanford Bio-X, som understøtter tværfaglig forskning på et tidligt stadium. "Det tilskud gav os mulighed for at tage en stor risiko i en retning, der var fuldstændig ubevist, "sagde de la Zerda.

Efter at have vist, at guldnanoroderne kan ses i levende væv, det næste trin er at vise, at disse nanoroder kan binde sig til bestemte slags celler, som hudkræft eller unormale kar i den tidlige fase af makuladegeneration. Derefter, teknikken kunne bruges til at lære mere om, hvordan disse sygdomme udvikler sig på molekylært niveau og også evaluere behandlinger hos individuelle patienter, noget der tidligere ikke havde været muligt.