Urmărirea biomoleculelor în timp ce dansăm Metoda nouă descrie procese metabolice - bogate în contrast și

Micrografie MiROM a adipocitelor vii (1 mm x 1 mm): lipide (roșu), proteine ​​(verde) și carbohidrați (albastru). @Helmholtz Zentrum München/Miguel A. Pleitez

urmărirea

Bolile metabolice, cum ar fi diabetul și obezitatea, sunt în creștere în întreaga lume, deoarece nu numai predispoziția genetică, ci și stilul de viață au o influență majoră asupra răspândirii lor. Pentru a putea evalua modul în care modificarea dietei sau a obiceiurilor de exercițiu afectează bolile și metabolismul celular pe care se bazează, sunt necesare metode precise de monitorizare.

Oamenii de știință de la Institutul pentru imagistică biologică și medicală de la Helmholtz Zentrum München și președintele pentru imagini biologice la TranslaTUM de la TUM au dezvoltat o tehnologie revoluționară în acest scop. Avantajul decisiv al acestei metode este că biomoleculele din celulele vii sunt realizate în timp real, cu contrast ridicat și fără adăugarea de markeri și medii de contrast. Acest sistem imagistic a fost evaluat în cooperare cu Institutul pentru Diabet și Cancer de la Centrul Helmholtz din München și Spitalul Universitar Heidelberg.

Lumina și ultrasunetele creează imagini ale biomoleculelor din celule și țesuturi

„Microscopia optoacustică cu infraroșu mediu”, sau MiROM pe scurt, generează vibrații moleculare „specifice amprentei digitale” prin excitarea moleculelor cu lumină laser în intervalul cu infraroșu mediu. Absorbția selectivă a anumitor lungimi de undă de către diferite molecule duce la o expansiune termoelastică - mici expansiuni volumetrice ale moleculelor care generează unde ultrasonice. Aceste unde sunt înregistrate și procesate în așa fel încât distribuția moleculelor respective poate fi reprezentată grafic.

Un avantaj decisiv al acestei noi metode în comparație cu tehnicile anterioare este că nu se limitează la probe uscate, fixe, ci poate fi utilizat pe celule vii: MiROM oferă reprezentări neadulterate și precise ale metaboliților deoarece undele acustice nu sunt la fel de puternice ca fotonii din țesut și Apa poate fi absorbită. „MiROM oferă o descoperire în microscopie: cu spectroscopia convențională IR în infraroșu mediu, o concentrație mai mare de biomolecule duce la o pierdere mai mare de semnal. MiROM, pe de altă parte, transformă acest lucru într-o modalitate de contrast pozitiv, cu o concentrație mai mare oferind semnale mai puternice. Noua tehnologie permite imagistica fără marker a biomoleculelor, care este mult mai sensibilă decât metodele Raman ", explică prof. Vasilis Ntziachristos, director al Institutului pentru imagistică biologică și medicală și catedra pentru imagistica biologică.

Observați interacțiunile în timp real

„MiROM oferă noi perspective asupra comportamentului subpopulațiilor de celule în timp. În plus, îl putem folosi pentru a detecta nu numai lipidele, ci și carbohidrații și proteinele în timp real ”, spune Miguel Pleitez, șeful dezvoltării sistemului. Afișarea fără markeri a metaboliților face posibilă investigarea proceselor moleculare în moduri complet noi, de exemplu în depozitarea și eliberarea grăsimilor în timpul descompunerii celulelor grase albe și maronii, cunoscute sub numele de lipoliză. În plus, poate fi investigată o gamă largă de alte procese metabolice și interacțiunile diferitelor biomolecule.

Diabetul, obezitatea sau modificările stilului de viață, inclusiv dieta și exercițiile fizice, afectează procesele metabolice. Observarea multor dintre aceste procese, însă, a necesitat utilizarea markerilor și a mediilor de contrast, a căror introducere este complexă și care poate afecta funcția biologică examinată. Această nouă tehnologie poate revoluționa cercetarea metabolică celulară: „MiROM oferă o observare unică, fără markeri, a proceselor metabolice din celulele vii în timp real, cu care efectele diferitelor diete pot fi examinate dinamic la nivel celular sau poate fi evaluată eficacitatea noilor clase de medicamente”, spune Pleitez. Pentru a obține informații și mai detaliate despre o gamă largă de boli precum cancerul, echipa lucrează în prezent la creșterea în continuare a vitezei, rezoluției și sensibilității MiROM.

Primele aplicații în microscopul de laborator au arătat procese metabolice precise în celule și țesuturi îndepărtate. „Pe termen lung, dorim să adaptăm tehnologia astfel încât să permită măsurători pe oameni. Vrem să observăm și să analizăm în mod direct procesele sistemice în legătură cu schimbările de stil de viață, pentru a folosi aceste cunoștințe pentru a optimiza strategiile de prevenire a bolilor ”, explică Ntziachristos.

Cercetarea care a condus la aceste rezultate a fost finanțată de Fundația Germană de Cercetare (DFG, Premiul Gottfried Wilhelm Leibniz 2013; NT 3/10-1) și Consiliul European de Cercetare (ERC) în cadrul programului de cercetare și inovare al Uniunii Europene Orizont 2020, ca parte a acordului de finanțare Nu 694968 (PREMSOT) acceptat.

Publicație originală:
M. A. Pleitez și colab., 2019: Imagistica metabolică fără etichete prin microscopie optoacustică în infraroșu mediu în celulele vii. Nature Biotechnology, DOI: 10.1038/s41587-019-0359-9.

În calitate de Centrul German de Cercetare pentru Sănătate și Mediu, Helmholtz Zentrum München urmărește dezvoltarea unei medicamente personalizate pentru diagnosticarea, terapia și prevenirea bolilor răspândite precum diabetul zaharat, alergiile și bolile pulmonare. Pentru a face acest lucru, examinează interacțiunea dintre genetică, factorii de mediu și stilul de viață. Sediul central al centrului este în Neuherberg, în nordul orașului München. Helmholtz Zentrum München are aproximativ 2.500 de angajați și este membru al Asociației Helmholtz, căreia îi aparțin 19 centre de cercetare științifico-tehnică și medical-biologică, cu aproximativ 37.000 de angajați.

Institutul pentru imagistică biologică și medicală (IBMI) cercetează tehnologii de imagistică in vivo pentru științele vieții. Dezvoltă sisteme, teorii și metode pentru imagistică și reconstrucție a imaginilor, precum și modele animale pentru testarea noilor tehnologii la nivel biologic, preclinic și clinic. Scopul este de a oferi instrumente inovatoare pentru laboratorul biomedical, pentru diagnosticarea și monitorizarea terapiei bolilor umane.