یک تکنیک جدید برای گرفتن تصاویر واقعی از مولکولهای زیستی در سلولهای زنده

23دسامبر 2019 - بیماریهای متابولیکی مانند دیابت و چاقی در سراسر جهان شایع تر شده اند. علاوه بر استعداد ژنتیکی و شیوه زندگی به شدت در شیوع این بیماری های متابولیکی نقش دارند. برای ارزیابی نحوه ی تأثیر تغییر در سبک زندگی(رژیم یا ورزش) بر این بیماریها و خصوصیات متابولیکی آنها، به روشهای دقیقی برای نظارت بر فرآیندهای سیستمیک در زمان واقعی نیاز داریم. اکنون، تیمی از انستیتوی تصویربرداری بیولوژیکی و پزشکی درمرکز هلمهولتز مونیخ و صندلی تصویربرداری بیولوژیکی در TranslaTUM از دانشگاه فنی مونیخ، تکنیکی را ابداع کرده اند که تصاویری را در زمان واقعی از مولکولهای زیستی در سلولهای زنده - بدون نیاز به نشانگرها یا مواد حاجب- ارائه می دهد. ارزیابی این سیستم تصویربرداری با همکاری مؤسسه ی دیابت و سرطان در مرکز هلمولتز مونیخ و بیمارستان دانشگاه هایدلبرگ انجام شد.

تصاویر نوری از بیومولکولها در سلول ها و بافت ها

محققان با استفاده از این فناوری جدید، بنام میکروسکوپ Optoacoustic Mid-infraRed یاMiROM ، ارتعاشات مولکولی خاص یا "اثر انگشت" هر مولکول را که با تابش لیزرهایmid-infrared  برانگیخته شده اند، به تصویر تبدیل می کنند. جذب انتخابی نورmid-infrared  عبور کرده از مولکولهای مختلف، باعث انبساط ترموالاستاتیک آنها می شود، به عبارت دیگر یک انبساط حجمی ظریف پس از عبور لیزر و بر اساس میزان جذب در مولکولها ایجاد می شود که  امواج اولتراسوندی (فراصوت) را با طول موجهای خاص تولید می کند. بسته به طول موج (های) تحریک، این امواج شناسایی و پردازش می شوند تا تصویری از توزیع مولکول های خاص در سلول زنده نمایش داده شود.

در مقایسه با تکنیک های قبلی، یکی از مزیت های برجسته ی روش جدید این است که دیگر محدود به نمونه های تثبیت شده نیست. MiROM با شناسایی امواج صوتی، که به راحتی از طریق بافت ها عبور می کنند - بجای فوتون ها که به شدت توسط بافت ها و آب جذب می شوند -، ویژگی های تصویری متابولیتها را فراتر از فن آوری های موجود به نمایش می گذارد.

پروفسور Vasilis Ntziachristos، مدیر موسسه تصویربرداری بیولوژیکی و پزشکی و رئیس صندلی تصویربرداری بیولوژیکی گفت: تکنیک MiROM، یک موفقیت بزرگ در زمینه ی تصویربرداری میکروسکوپی است. در روشهای تصویربرداری متداولmid-IR، هرچه غلظت بیومولکول بالاتر می بود منجر به از دست رفتن سیگنالهای بیشتری می شد. در مقابل، روشMiROM ، تصویربرداریmid-IR  را به یک روش کنتراست مثبت تبدیل می کند، در نتیجه مولکولهی زیستی که غلظت بالاتری دارند سیگنال های قوی تری را ایجاد می کنند. این تکنیک بدون نیاز به لیبل یا نشانگر، از مولکولهای زیستی فراتر از محدودیتهای حساسیت روشهای رامان، تصویربرداری می کند.

یک مطالعه پیشتاز که زمینه جدیدی را در تحقیقات متابولیک باز می کند

میگوئل پلیتز می گوید: MiROM، بینش جدیدی را در رابطه با زیر جمعیتهای سلولی با گذشت زمان فراهم می کند. علاوه بر این، ما را قادر می سازد که نه تنها لیپیدها، بلکه کربوهیدرات ها و پروتئین ها را نیز در زمان واقعی تشخیص دهیم. تصویربرداری بدون نیاز به نشانگر یا لیبل از متابولیتها، می تواند بر روشهای مطالعه فرآیندهای مولکولی مرتبط با ذخیره ی چربی و رهاسازی آن به دلیل تخریب سلولهای چربی سفید و قهوه ای، به نام لیپولیز، تأثیر گذارد. با این حال، طیف وسیع تری از روش های متابولیک و اثر متقابل مولکول های زیستی مختلف را نیز می توان مورد مطالعه قرار داد.

فرآیندهای متابولیکی در رابطه با بیماری دیابت، چاقی، یا با تغییر سبک زندگی از جمله رژیم غذایی و ورزش تغییر می کنند. با این حال، مشاهده بسیاری از این فرایندها تاکنون مستلزم استفاده از نشانگرها و مواد حاجب بود، که کاری بسیار پر زحمت بود و می توانست بر عملکرد بیولوژیکی مورد مطالعه، تأثیر گذارد. این فناوری جدید می تواند بررسی متابولیسم را متحول سازد، MiROM مشاهدات بی نظیری را از فرآیندهای متابولیکی در زمان واقعی از داخل بدن بدون نشانگر ارائه می دهد و می تواند برای مطالعه ی پویای تاثیر رژیم های مختلف در سطح سلولی یا ارزیابی عملکرد کلاس های دارویی جدید استفاده شود. میگوئل پلیتز می گوید: این تیم در حال کار بر روی نسخه ی اصلاح شده MiROM با افزایش سرعت، وضوح و حساسیت بیشتر برای تقویت اکتشافات در طیف گسترده ای از بیماری ها از جمله سرطان است.

استفاده ی اولیه از MiROM به عنوان میکروسکوپ آزمایشگاهی، تصویربرداری متابولیک در سلول ها و بافت های خارج شده از بدن را امکان پذیر نمود. Ntziachristos توضیح داد: دید بلند مدت ما تطبیق این فناوری برای سنجش و استفاده در انسان زنده است، به گونه ای که بتوانیم فرآیندهای سیستمیک را در حین تغییرات سبک زندگی مطالعه کنیم و راهکارهای پیشگیری از بیماریها را بهینه نماییم.

منبع:

Pleitez, M.A., et al. (2019) Label-free metabolic imaging by mid-infrared optoacoustic microscopy in living cells. Nature Biotechnology. doi.org/10.1038/s41587-019-0359-9.

https://www.news-medical.net/news/20191223/New-technique-provides-real-time-images-of-biomolecules-in-living-cells.aspx