Гледане на биомолекули по време на танци Новият метод изобразява метаболитните процеси - богати на контраст и
MiROM микрофотография на живи адипоцити (1 mm x 1 mm): липиди (червено), протеини (зелено) и въглехидрати (синьо). @Helmholtz Zentrum München/Miguel A. Pleitez
Метаболитните заболявания като диабет и затлъстяване се увеличават в световен мащаб, тъй като не само генетичната предразположеност, но и начинът на живот имат голямо влияние върху тяхното разпространение. За да може да се оцени как промяната в диетата или навиците за упражнения влияят върху болестите и клетъчния метаболизъм, на който се основават, са необходими точни методи за наблюдение.
Учени от Института за биологично и медицинско изобразяване към Helmholtz Zentrum München и Катедрата за биологични образи в TUM's TranslaTUM са разработили новаторска технология за тази цел. Решаващото предимство на този метод е, че биомолекулите в живите клетки се изобразяват в реално време с висок контраст и без добавяне на маркери и контрастни среди. Тази образна система е оценена в сътрудничество с Института за диабет и рак към Центъра Хелмхолц в Мюнхен и Университетската болница Хайделберг.
Светлината и ултразвукът създават образи на биомолекули в клетките и тъканите
„Средно инфрачервената оптоакустична микроскопия“ или накратко MiROM генерира „специфични за пръстовите отпечатъци“ молекулярни вибрации чрез възбуждане на молекулите с лазерна светлина в средния инфрачервен диапазон. Селективното поглъщане на определени дължини на вълните от различни молекули води до термоеластично разширение - малки обемни разширения на молекулите, които генерират ултразвукови вълни. Тези вълни се записват и обработват по такъв начин, че разпределението на съответните молекули може да бъде представено графично.
Решаващо предимство на този нов метод в сравнение с предишните техники е, че той не се ограничава до изсушени, фиксирани проби, но може да се използва върху живи клетки: MiROM осигурява неподправено, точно представяне на метаболитите, тъй като акустичните вълни не са толкова силни, колкото фотоните от тъканите и Водата може да се абсорбира. „MiROM предлага пробив в микроскопията: С конвенционалната ИЧ спектроскопия в средния инфрачервен лъч по-високата концентрация на биомолекули води до по-голяма загуба на сигнал. MiROM, от друга страна, превръща това в положителен контрастен начин, с по-висока концентрация, осигуряваща по-силни сигнали. Новата технология позволява изобразяване на биомолекули без маркери, което е много по-чувствително от методите на Раман “, обяснява проф. Василис Нциахристос, директор на Института за биологични и медицински образи и председател на биологичните образи.
Наблюдавайте взаимодействията в реално време
„MiROM предоставя нова представа за поведението на субпопулациите на клетките с течение на времето. Освен това можем да го използваме, за да откриваме не само липиди, но и въглехидрати и протеини в реално време “, казва Мигел Плейтес, ръководител на системното развитие. Показването на метаболити без маркери дава възможност да се изследват молекулярните процеси по напълно нови начини, например при съхранението и освобождаването на мазнини по време на разграждането на белите и кафявите мастни клетки, известно като липолиза. В допълнение могат да бъдат изследвани широк спектър от други метаболитни процеси и взаимодействията на различни биомолекули.
Диабетът, затлъстяването или промените в начина на живот, включително диета и упражнения, влияят върху метаболитните процеси. Наблюдението на много от тези процеси обаче изисква използването на маркери и контрастни среди, чието въвеждане е сложно и което може да наруши изследваната биологична функция. Тази нова технология може да революционизира клетъчните метаболитни изследвания: "MiROM предлага уникално, без маркери наблюдение на метаболитните процеси в живите клетки в реално време, с което ефектите от различни диети могат да бъдат динамично изследвани на клетъчно ниво или ефективността на новите класове лекарства", казва Плейтез. За да получи още по-подробна информация за широк спектър от заболявания като рак, в момента екипът работи за допълнително увеличаване на скоростта, разделителната способност и чувствителността на MiROM.
Първите приложения в лабораторния микроскоп показват точни метаболитни процеси в клетките и отстранената тъкан. „В дългосрочен план искаме да адаптираме технологията така, че да дава възможност за измервания върху хората. Искаме директно да наблюдаваме и анализираме системните процеси във връзка с промените в начина на живот, за да използваме тези знания за оптимизиране на стратегиите за профилактика на заболяванията “, обяснява Ntziachristos.
Изследванията, водещи до тези резултати, бяха финансирани от Германската научноизследователска фондация (DFG, награда „Готфрид Вилхелм Лайбниц“ 2013 г .; NT 3/10-1) и Европейския изследователски съвет (ERC) в рамките на програмата за научни изследвания и иновации на Европейския съюз „Хоризонт 2020“ като част от споразумението за финансиране № 694968 (PREMSOT) се поддържа.
Оригинална публикация:
M. A. Pleitez et al., 2019: Без етикет метаболитни образи чрез средно инфрачервена оптоакустична микроскопия в живи клетки. Природна биотехнология, DOI: 10.1038/s41587-019-0359-9.
Като немски изследователски център за здраве и околна среда, Helmholtz Zentrum München преследва целта да разработи персонализирана медицина за диагностика, терапия и профилактика на широко разпространени заболявания като захарен диабет, алергии и белодробни заболявания. За целта той изследва взаимодействието между генетиката, факторите на околната среда и начина на живот. Седалището на центъра е в Нойхерберг в северната част на Мюнхен. В Helmholtz Zentrum München работят около 2500 души и е член на Асоциацията на Helmholtz, към която принадлежат 19 научно-технически и медико-биологични изследователски центъра с около 37 000 служители.
Институтът за биологични и медицински изображения (IBMI) изследва in vivo образни технологии за науките за живота. Разработва системи, теории и методи за изобразяване и реконструкция на изображения, както и животински модели за тестване на нови технологии на биологично, предклинично и клинично ниво. Целта е да се осигурят иновативни инструменти за биомедицинската лаборатория, за диагностика и мониторинг на терапията на човешките заболявания.