Исследователи сообщают о новом способе сопоставления внутренней работы живой клетки

        

Инструменты визуализации, такие как рентгеновское излучение и МРТ, произвели революцию в медицине, дав врачам вид сверху на мозг и другие жизненно важные органы, живущие, дышащие людьми. Теперь исследователи из Колумбийского университета сообщают о новом способе увеличения масштаба в самых маленьких масштабах, чтобы отслеживать изменения в отдельных ячейках.

. В последнем выпуске Nature Communications инструмент объединяет широко используемый химический трассировщик D2O или тяжелую воду с относительно новым методом лазерной визуализации, называемым вынужденным комбинационным рассеянием (SRS). Потенциальные применения техники включают помощь хирургам в быстром и точном удалении опухолей, помогая выявлять травмы головы и нарушения развития и обмена веществ.

«Мы можем использовать эту технологию для визуализации метаболической активности у широкого круга животных», – сказал старший автор исследования Вэй Мин, профессор химии Колумбийского университета. «Отслеживая, где и когда сделаны новые белки, липиды и молекулы ДНК, мы можем больше узнать о том, как развиваются и стареют животные, и что не так в случае травм и болезней».

Прорыв предполагает использование тяжелой воды в качестве химического индикатора. Сделанный путем замены атомов водорода водой с их более тяжелым родственником, дейтерий, тяжелая вода выглядит и на вкус, как обычная вода и в небольших дозах (не более пяти столовых ложек для людей) безопасна для питья. После метаболизма клеток в организме тяжелая вода включается в новые белки, липиды и ДНК, где дейтерий образует химические связи с углеродом.

Когда эти углерод-дейтериевые связи поражены светом, они вибрируют на разных частотах, исследователи обнаружили, что каждая макромолекула может быть идентифицирована как белок, липид или ДНК. Из этих частотных сигнатур они могли отслеживать рост новых белков, липидов и ДНК в мозге, коже, кишечнике и других органах животного.

Хотя тяжелая вода уже используется для маркировки белков и липидов для отслеживания метаболических изменений, в настоящее время проводится анализ на масс-спектрометре, на клетках, выделенных из организма. Этот метод теперь позволяет визуализировать субклеточные изменения в реальном времени и пространстве. «Мы получаем непрерывную картину того, что происходит внутри живых животных клеток. Раньше у нас был только снимок», – сказал соавтор исследования, Линджиан Ши, докторант из Колумбии.

В исследовании исследователи разбавили регулярную воду D2O и дали ее круглым червям, мышам и эмбрионам рыбок данио, чтобы выпить. Направляя SRS-лазер в различных тканях, они наблюдали в течение нескольких часов и дней, как новые протеины, липиды и ДНК, содержащие дейтерий.

В одном эксперименте они наблюдали, как яркая линия появляется вокруг быстрорастущих опухолей головного мозга и толстой кишки у мышей. По мере разделения раковых клеток большее количество дейтерия было включено в их новые белки и липиды. «Этот метод создает четкую грань между здоровой и раковой тканью, что значительно облегчает удаление опухоли», – сказал Ши.

Эксперименты также предложили новое понимание развития клеток и старения.

* В круглом червях они наблюдали, как рост жира и падение в репродуктивной системе червя по мере старения. Жир помогает яйцам червей созреть, и, как только этот добавленный жир больше не будет полезен, жировые отложения замедлились, они обнаружили. Они также увидели скопления новой белковой формы в теле более старого червя, что указывает на то, что для отслеживания белковых отложений и, следовательно, связанных с возрастом заболеваний, можно использовать маркировку SRS с дейтерием.

* В развивающихся мозгах мышей-младенцев они наблюдали образование слоя изоляционного жира, называемого оболочкой миелина, вокруг каждой клетки. Наблюдая за процессом в реальном времени, исследователи предложили исследователям, чтобы изображение, полученное с помощью дейтерийного SRS, могло использоваться, чтобы определить, правильно ли развивается мозг ребенка, или если пациенты, страдающие рассеянным склерозом, заболевают, поражающие миелин головного мозга и нарушающие поток информации, могут восстанавливаться.

* В клетках пота железы мышей наблюдали, как новые липиды формируются в клетках на внешних краях потовых желез, подталкивая старые клетки внутрь. Когда эти старые клетки, наконец, достигли центра желез, они умерли и были изгнаны в процессе, который, как считается, увлажнил кожу и волосы выше.

«Красота этого метода сопоставления – его простота», – говорит Эрик Потма, профессор химии Калифорнийского университета в Ирвине, который не участвовал в исследовании. «Он создает яркие изображения метаболической активности в тканях с минимальными усилиями. По мере того, как микроскоп SRS продолжает уменьшаться, визуализация SRS с дейтерием может помочь поймать опухоли на гораздо более ранних стадиях».

Действуя по догадку о том, что элемент водорода попал в более тяжелую форму, Гарольд Юри, тогда профессор химии в Колумбии, сумел отделить дейтерий от жидкого водорода в 1931 году. Открытие принесло ему Нобелевскую премию по химии три года спустя. В дополнение к использованию в качестве измерителя в масс-спектрометрии дейтерий сегодня используется для отслеживания изменений в циркуляции океана, изучения образования звезд и модуляции химических реакций при создании ядерной энергии.

      

Source link