Neue bildgebende Technik, die die molekulare Dynamik neurodegenerativer Erkrankungen beobachten kann

Anonim

Die Forscher haben eine schnelle und praktische bildgebende Technik im molekularen Maßstab entwickelt, die Wissenschaftlern eine noch nie dagewesene Dynamik biologischer Prozesse ermöglichen könnte, die bei neurodegenerativen Erkrankungen wie Alzheimer und Multipler Sklerose eine Rolle spielen.

Die neue Technik zeigt die chemische Zusammensetzung einer Probe sowie die Orientierung der Moleküle, die diese Probe bilden, Informationen, die verwendet werden können, um zu verstehen, wie sich Moleküle verhalten. Darüber hinaus erfasst es diese Informationen in Sekundenschnelle, deutlich schneller als die von anderen Techniken benötigten Minuten. Durch die höhere Geschwindigkeit ist es erstmals möglich, den Krankheitsverlauf in lebenden Tiermodellen auf molekularer Ebene zu beobachten. Mit der Weiterentwicklung könnte die Technik auch eingesetzt werden, um frühe Anzeichen von neurodegenerativen Erkrankungen bei Menschen zu erkennen.

In Optica, der Zeitschrift der Optical Society für hochwirksame Forschung, berichten Forscher unter der Leitung von Sophie Brasselet vom Institut Fresnel, CNRS, Aix Marseille Université, Frankreich über ihre neue Technik, die Hochgeschwindigkeits-polarisationsaufgelöste kohärente Raman-Streuung genannt wird. Sie nutzten künstliche Lipidmembranen, um die Möglichkeiten der Technik zur Förderung der neurologischen Forschung zu demonstrieren.

Die künstlichen Membranen, die in der Studie verwendet werden, bestehen aus gepackten Schichten von Lipiden, die denen der Myelinscheide ähnlich sind, die Axone bedeckt, um elektrische Impulse schnell und effizient zu bewegen. Wenn Krankheiten wie Alzheimer und Multiple Sklerose fortschreiten, beginnen diese Lipide zu desorganisieren und die Lipidschichten verlieren ihre Adhäsion. Dies führt letztendlich dazu, dass sich die Myelinscheide vom Axon löst und zu neuronalen Fehlfunktionen führt.

"Wir haben eine Technik entwickelt, die in der Lage ist, molekulare Organisation in Zellen und Geweben abzubilden, die uns schließlich das frühe Stadium dieser Ablösung und die Organisation der Lipide innerhalb dieser Myelinscheide zeigen lässt", sagte Brasselet. "Dies könnte uns helfen, das Fortschreiten von Krankheiten zu verstehen, indem wir beispielsweise das Stadium identifizieren, in dem Lipide zu desorganisieren beginnen und welche molekularen Veränderungen während dieser Zeit auftreten. Dies könnte neue zielgerichtete Arzneimittelbehandlungen ermöglichen, die anders funktionieren als die jetzt verwendeten."

Moleküle in Echtzeit beobachten

Die von Brasselet und ihrem Forschungsteam entwickelte neue Technik nutzt einen nichtlinearen Effekt, der kohärente Raman-Streuung genannt wird, die auftritt, wenn Licht mit Molekülen interagiert. Die Frequenz oder Wellenlänge des nichtlinearen Signals liefert die chemische Zusammensetzung einer Probe basierend auf ihren Molekülschwingungen, ohne dass zusätzliche fluoreszierende Markierungen oder Chemikalien hinzugefügt werden müssen.

Die Forscher bauten auf einem bestehenden Ansatz namens Stimulierte Raman-Streuung Bildgebung, die das Raman-Signal durch Modulation der Intensität oder Leistung des Laserlichts erhöht. Um molekulare Orientierungsinformationen aus dem kohärenten Raman-Signal zu erhalten, verwendeten die Forscher eine elektrooptische Vorrichtung namens Pockels-Zelle, um die Polarisation des Lasers schneller als seine Intensität zu modulieren.

"Wir nahmen das Konzept der Intensitätsmodulation für die stimulierte Raman-Streuung und übertrugen es mit einem Standardgerät auf Polarisationsmodulation", sagt Brasselet. "Die Signaldetektion für unsere Technik ist sehr ähnlich derjenigen, die mit stimulierter Raman-Streuung durchgeführt wird, außer dass wir nicht nur die Intensität des Lichts erfassen, sondern Polarisationsinformationen, die uns sagen, ob Moleküle hochgradig orientiert oder völlig desorganisiert sind."

Der Schlüssel besteht jedoch darin, Orientierungsinformationen schnell genug zu erfassen, um hochdynamische biologische Prozesse auf molekularer Ebene zu erfassen. Frühere Methoden waren langsam, weil sie ein Bild, dann die Polarisationsinformation und dann den Prozess zum Erfassen von Änderungen im Laufe der Zeit wiederholten. Durch die sehr schnelle Modulation der Laserpolarisation konnten die Forscher Pixel für Pixel in Echtzeit messen.

Mit dem neuen Ansatz dauert es weniger als eine Sekunde, um Informationen zur Lipidorientierung in einem großen Bild zu erhalten, das mehrere Zellen enthält. Diese Information wird dann verwendet, um eine Sequenz von "Lipid-Ordnungs" -Bildern aufzubauen, die molekulare Orientierungsdynamiken auf Zeitskalen im Sekundentakt zeigt.

Einzelne Membranen messen

Die Forscher zeigten, dass ihre Technik Deformation und Lipid-Organisation in künstlichen Lipidmembranen, die den gepackten Membranen von Myelin ähneln, aufzeigen kann. Die Technik war sogar empfindlich genug, um die Organisation von Lipiden um rote Blutkörperchen zu messen, die nur eine einzige Lipidmembran aufweisen.

"Obwohl wir die Technik nur mit Modellmembranen und Einzelzellen demonstriert haben, ist diese Technik auf biologisches Gewebe übertragbar", sagte Brasselet. "Es wird uns zeigen, wie sich Moleküle verhalten, Informationen, die aus den morphologischen Bildern im Mikromaßstab, die mit herkömmlichen Mikroskopietechniken aufgenommen wurden, nicht verfügbar sind."

Brasselet sagte, dass die neue Technik in naher Zukunft verwendet werden könnte, um das Fortschreiten bei Krankheiten, die einen Abbau der Myelinscheide beinhalten, wie Alzheimer und Multiple Sklerose, besser zu verstehen. Zum Beispiel könnte es verwendet werden, um Neuronen in lebenden Mäusen abzubilden, indem die Raman-Streuungstechnik mit existierenden Verfahren kombiniert wird, bei denen winzige Fenster in die Gehirne und das Rückenmark von Labortieren implantiert werden.

"Letztendlich würden wir gerne eine kohärente Raman-Bildgebung entwickeln, um im Körper Krankheiten frühzeitig erkennen zu können", sagt Brasselet. "Dazu müsste die Technik angepasst werden, um mit Endoskopen oder anderen Werkzeugen in der Entwicklung zu arbeiten, die eine lichtbasierte Bildgebung im Körper ermöglichen."

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