Design af ultralydsværktøjer med Lego-lignende proteiner

Ultralydsbilleddannelse bruges over hele verden til at hjælpe med at visualisere udviklende babyer og diagnosticere sygdom. Lydbølger preller af vævene, afslører deres forskellige tætheder og former. Det næste trin i ultralydsteknologi er at afbilde ikke kun anatomi, men specifikke celler og molekyler dybere i kroppen, såsom dem, der er forbundet med tumorer eller bakterier i vores tarm.

En ny undersøgelse fra Caltech beskriver, hvordan proteinteknologiske teknikker kan hjælpe med at nå denne milepæl. Forskerne konstruerede proteinskallede nanostrukturer kaldet gasvesikler - som reflekterer lydbølger - for at udvise nye egenskaber, der er nyttige til ultralydsteknologier. I fremtiden, disse gasvesikler kunne administreres til en patient for at visualisere væv af interesse. De modificerede gasvesikler viste sig at:afgive mere distinkte signaler, gør dem nemmere at afbilde; målrette specifikke celletyper; og hjælpe med at skabe farve ultralydsbilleder.

"Det er lidt ligesom ingeniørarbejde med molekylær lego, " siger assisterende professor i kemiteknik og arvehovedforsker Mikhail Shapiro, som er seniorforfatter til et nyt papir om forskningen offentliggjort i denne måneds udgave af tidsskriftet ACS Nano og med på bladets forside. "Vi kan bytte forskellige proteinstykker på overfladen af ​​gasvesikler for at ændre deres målretningsegenskaber og for at visualisere flere molekyler i forskellige farver."

"I dag, ultralyd er for det meste anatomisk, " siger Anupama Lakshmanan, en kandidatstuderende i Shapiros laboratorium og hovedforfatter af undersøgelsen. "Vi ønsker at bringe det ned til det molekylære og cellulære niveau."

I 2014 Shapiro opdagede først den potentielle brug af gasvesikler til ultralydsbilleddannelse. Disse gasfyldte strukturer forekommer naturligt i vandlevende encellede organismer, såsom Anabaena flos-aquae, en art af cyanobakterier, der danner filamentøse klumper af multicellekæder. Gasvesiklerne hjælper organismerne med at kontrollere, hvor meget de flyder og dermed deres udsættelse for sollys ved vandoverfladen. Shapiro indså, at vesiklerne let ville reflektere lydbølger under ultralydsbilleddannelse, og i sidste ende demonstrerede dette ved hjælp af mus.

I den seneste forskning, Shapiro og hans team satte sig for at give gasvesiklerne nye egenskaber ved at konstruere gasvesikelprotein C, eller GvpC, et protein, der naturligt findes på overfladen af ​​vesikler, der giver dem mekanisk styrke og forhindrer dem i at kollapse. Proteinet kan konstrueres til at have forskellige størrelser, med længere versioner af proteinet, der producerer stærkere og stivere nanostrukturer.

"Proteinerne er som rammestængerne i et flykroppe. Du bruger dem til at bestemme strukturens mekanik." siger Shapiro.

I et eksperiment, forskerne fjernede det styrkende protein fra gasvesikler og administrerede derefter de konstruerede vesikler til mus og udførte ultralydsbilleddannelse. Sammenlignet med normale vesikler, de modificerede vesikler vibrerede mere som reaktion på lydbølger, og dermed resonerede med harmoniske frekvenser. Overtoner skabes, når lydbølger hopper rundt, for eksempel i en violin, og danner nye bølger med fordoblede og tredoblede frekvenser. Overtoner skabes ikke let i naturlige væv, får vesiklerne til at skille sig ud på ultralydsbilleder.

I et andet sæt eksperimenter, forskerne demonstrerede, hvordan gasvesiklerne kunne laves til at målrette bestemte væv i kroppen. De gensplejsede vesiklerne til at vise forskellige cellulære mål, såsom en aminosyresekvens, der genkender proteiner kaldet integriner, der overproduceres i tumorceller.

"At tilføje disse funktioner til gasvesiklerne er som at knipse et nyt Lego-stykke; det er et modulært system, " siger Shapiro.

Holdet viste også, hvordan flerfarvede ultralydsbilleder kan skabes. Traditionelle ultralydsbilleder fremstår sort-hvide. Shapiros gruppe skabte en tilgang til billeddannelse af tre forskellige typer gasvesikler som separate "farver" baseret på deres differentielle evne til at modstå kollaps under tryk. Selve vesiklerne optræder ikke i forskellige farver, men de kan tildeles farver baseret på deres forskellige egenskaber.

For at demonstrere dette, holdet lavede tre forskellige versioner af vesiklerne med varierende styrker af GvpC-proteinet. De øgede derefter ultralydstrykket, hvilket får variantpopulationerne til successivt at kollapse én efter én. Da hver befolkning kollapsede, det samlede ultralydssignal faldt i forhold til mængden af ​​denne variant i prøven, og denne signalændring blev derefter kortlagt til en bestemt farve. I fremtiden, hvis hver variantpopulation var målrettet mod en specifik celletype, forskere ville være i stand til at visualisere cellerne i flere farver.

"Du kan muligvis se tumorceller versus immuncellerne, der angriber tumoren, og dermed overvåge forløbet af en medicinsk behandling, " siger Shapiro.