Beeldvormende hulpmiddelen zoals röntgenfoto's en MRI hebben een revolutie teweeggebracht in de geneeskunde door artsen een close-up beeld te geven van de hersenen en andere vitale organen in het leven, ademende mensen. Nutsvoorzieningen, Onderzoekers van de Columbia University rapporteren een nieuwe manier om in te zoomen op de kleinste schalen om veranderingen binnen individuele cellen te volgen.

Beschreven in het laatste nummer van Natuurcommunicatie , de tool combineert een veelgebruikte chemische tracer, D2O, of zwaar water, met een relatief nieuwe laserbeeldvormingsmethode genaamd gestimuleerde Raman-verstrooiing (SRS). Mogelijke toepassingen van de techniek zijn onder meer het helpen van chirurgen om tumoren snel en nauwkeurig te verwijderen, helpen bij het opsporen van hoofdletsel en ontwikkelings- en stofwisselingsstoornissen.

"We kunnen deze technologie gebruiken om metabolische activiteiten in een breed scala aan dieren te visualiseren, " zei senior auteur Wei Min van de studie, een scheikundeprofessor aan de Columbia University. "Door bij te houden waar en wanneer nieuwe eiwitten, lipiden en DNA-moleculen worden gemaakt, we meer kunnen leren over hoe dieren zich ontwikkelen en verouderen, en wat er mis gaat bij letsel en ziekte."

De doorbraak betreft het gebruik van zwaar water als chemische tracer. Gemaakt door de waterstofatomen van water te verwisselen met hun zwaardere verwant, deuterium, zwaar water ziet eruit en smaakt als gewoon water en is in kleine hoeveelheden (niet meer dan vijf eetlepels voor mensen) veilig om te drinken. Eenmaal gemetaboliseerd door cellen in het lichaam, zwaar water wordt opgenomen in nieuw gemaakte eiwitten, lipiden en DNA, waar het deuterium chemische bindingen vormt met koolstof.

Wanneer deze koolstof-deuteriumbindingen worden geraakt met licht, ze trillen op verschillende frequenties, ontdekten de onderzoekers, waardoor elk macromolecuul kan worden geïdentificeerd als een eiwit, lipide of DNA. Van deze frequentiesignaturen, ze konden de groei van nieuwe eiwitten volgen, lipiden en DNA in de hersenen van het dier, huid, darmen en andere organen.

Hoewel zwaar water al wordt gebruikt om eiwitten en lipiden te labelen om metabolische veranderingen te volgen, analyse wordt momenteel gedaan op een massaspectrometer, op cellen die uit het lichaam worden gehaald. Deze methode maakt het nu mogelijk om subcellulaire veranderingen in realtime en in de ruimte te visualiseren. "We krijgen een continu beeld van wat er in levende dierlijke cellen gebeurt. we hadden alleen een momentopname, " zei de co-hoofdauteur van de studie, Lingyan Shi, een postdoctoraal onderzoeker aan Columbia.

In de studie, de onderzoekers verdunnen regulier water met D2O en gaven het aan rondwormen, muizen en zebravisembryo's om te drinken. De SRS-laser op verschillende weefsels richten, ze keken uren en dagen naar nieuwe deuterium-gelabelde eiwitten, lipiden en DNA opgebouwd.

In een experiment, ze zagen een heldere lijn verschijnen rond snelgroeiende hersen- en darmtumoren bij de muizen. Terwijl de kankercellen zich splitsten, meer deuterium werd opgenomen in hun nieuw gemaakte eiwitten en lipiden. "Deze methode creëert een scherpe lijn tussen gezond en kankerweefsel, waardoor het veel gemakkelijker wordt om de tumor te verwijderen, " zei Shi.

De experimenten boden ook nieuwe inzichten in celontwikkeling en veroudering.

*In de rondworm, ze zagen de vetproductie stijgen en dalen in het voortplantingssysteem van de worm naarmate het ouder werd. Vet helpt de eitjes van de worm te rijpen, en toen dit toegevoegde vet niet langer nuttig was, vetvorming vertraagd, ze vonden. Ze zagen ook klompjes nieuwe eiwitvorm in het lichaam van de oudere worm, wat suggereert dat deuterium-gelabelde SRS-beeldvorming kan worden gebruikt om eiwitafzettingen te volgen, en dus aan veroudering gerelateerde ziekte.

*In de zich ontwikkelende hersenen van babymuizen, ze observeerden de vorming van een laag isolerend vet, genaamd de myelineschede, rond elke cel. Door het proces in realtime te bekijken, suggereerde de onderzoekers dat met deuterium gelabelde SRS-beeldvorming zou kunnen worden gebruikt om te bepalen of de hersenen van een kind zich goed ontwikkelen, of als patiënten lijden aan multiple sclerose, een ziekte die de myeline van de hersenen aanvalt en de informatiestroom verstoort, misschien aan het herstellen is.

*In de zweetkliercellen van muizen, ze keken toe hoe nieuwe lipiden zich vormden in cellen aan de buitenranden van de zweetklieren, oudere cellen naar binnen duwen. Toen die oude cellen eindelijk het centrum van de klieren bereikten, ze stierven en werden verdreven in een proces waarvan gedacht werd dat het de huid en het haar erboven hydrateerde.

"Het mooie van deze kaartmethode is de eenvoud, " zegt Eric Potma, een scheikundeprofessor aan de Universiteit van Californië in Irvine die niet bij het onderzoek betrokken was. "Het produceert levendige beelden van metabolische activiteit in weefsels met schijnbaar minimale inspanning. Naarmate de SRS-microscoop steeds kleiner wordt, deuterium-gelabelde SRS-beeldvorming kan helpen om tumoren in veel eerdere stadia op te vangen."

Handelend op een vermoeden dat het element waterstof in een zwaardere vorm kwam, Harold Urey, toen een scheikundeprofessor aan Columbia, slaagde er in 1931 in om deuterium te scheiden van vloeibare waterstof. De ontdekking leverde hem drie jaar later een Nobelprijs voor scheikunde op. Naast het dienen als een tracer in massaspectroscopie, deuterium wordt tegenwoordig gebruikt om veranderingen in de oceaancirculatie te volgen, bestudeer de vorming van sterren, en het moduleren van chemische reacties bij het maken van kernenergie.