Onderzoekers hebben een snelle en praktische beeldvormingstechniek op moleculaire schaal ontwikkeld waarmee wetenschappers een nooit eerder geziene dynamiek van biologische processen kunnen zien die betrokken zijn bij neurodegeneratieve ziekten zoals de ziekte van Alzheimer en multiple sclerose.

De nieuwe techniek onthult de chemische samenstelling van een monster, evenals de oriëntatie van de moleculen waaruit dat monster bestaat, informatie die kan worden gebruikt om te begrijpen hoe moleculen zich gedragen. Bovendien, het verwerft deze informatie in slechts enkele seconden, aanzienlijk sneller dan de minuten die nodig zijn voor andere technieken. Door de hogere snelheid is het voor het eerst mogelijk om ziekteprogressie in levende diermodellen op moleculair niveau te volgen. Met verdere ontwikkeling, de techniek kan ook worden gebruikt om vroege tekenen van neurodegeneratieve ziekten bij mensen op te sporen.

In optiek , Het tijdschrift van de Optical Society voor onderzoek met hoge impact, onderzoekers onder leiding van Sophie Brasselet van het Institut Fresnel, CNRS, Aix Marseille Université, Frankrijk, hun nieuwe techniek melden, genaamd high-speed polarisatie opgelost coherente Raman-verstrooiing beeldvorming. Ze gebruikten kunstmatige lipidemembranen om de mogelijkheden van de techniek voor het verbeteren van neurologisch onderzoek te demonstreren.

De kunstmatige membranen die in het onderzoek zijn gebruikt, zijn gemaakt van gepakte lagen lipiden die vergelijkbaar zijn met die in de myeline-omhulling die axonen bedekt om elektrische impulsen snel en efficiënt te laten bewegen. Wanneer ziekten zoals de ziekte van Alzheimer en multiple sclerose vorderen, deze lipiden beginnen te desorganiseren en de lipidenlagen verliezen hun hechting. Dit zorgt er uiteindelijk voor dat de myelineschede loskomt van het axon en leidt tot slecht functionerende neurale signalen.

"We hebben een techniek ontworpen die in staat is om de moleculaire organisatie in cellen en weefsels in beeld te brengen, waardoor we uiteindelijk het vroege stadium van deze onthechting kunnen zien en hoe lipiden zijn georganiseerd in deze myeline-omhulling, "zei Brasselet. "Dit zou ons kunnen helpen de progressie van ziekten te begrijpen door het stadium te identificeren waarin lipiden beginnen te desorganiseren, bijvoorbeeld, en welke moleculaire veranderingen zich gedurende deze tijd voordoen. Dit kan nieuwe gerichte medicamenteuze behandelingen mogelijk maken die anders werken dan die nu worden gebruikt."

Moleculen in realtime bekijken

De nieuwe techniek die is ontwikkeld door Brasselet en haar onderzoeksteam maakt gebruik van een niet-lineair effect, coherente Raman-verstrooiing genaamd, dat optreedt wanneer licht interageert met moleculen. De frequentie, of golflengte, van het niet-lineaire signaal levert de chemische samenstelling van een monster op basis van zijn moleculaire trillingen, zonder de noodzaak om extra fluorescerende labels of chemicaliën toe te voegen.

De onderzoekers bouwden voort op een bestaande benadering genaamd gestimuleerde Raman-verstrooiingsbeeldvorming, die het Raman-signaal verbetert door de intensiteit van het laserlicht te moduleren, of macht. Om moleculaire oriëntatie-informatie te verkrijgen uit het coherente Raman-signaal, de onderzoekers gebruikten een elektro-optisch apparaat, een Pockels-cel genaamd, om de polarisatie van de laser snel te moduleren in plaats van de intensiteit ervan.

"We hebben het concept van intensiteitsmodulatie gebruikt voor gestimuleerde Raman-verstrooiing en omgezet in polarisatiemodulatie met behulp van een kant-en-klaar apparaat, " zei Brasselet. "De signaaldetectie voor onze techniek lijkt erg op wat wordt gedaan met gestimuleerde Raman-verstrooiing, behalve dat in plaats van alleen de intensiteit van het licht te detecteren, we detecteren polarisatie-informatie die ons vertelt of moleculen sterk georiënteerd of totaal ongeorganiseerd zijn."

De sleutel, echter, is om snel genoeg oriëntatie-informatie te verwerven om zeer dynamische biologische processen op moleculair niveau vast te leggen. Eerdere methoden waren traag omdat ze een beeld kregen, dan de polarisatie-informatie, en herhaalde vervolgens het proces om veranderingen in de loop van de tijd vast te leggen. Door de laserpolarisatie zeer snel te moduleren, de onderzoekers konden pixel voor pixel metingen doen, live.

Met de nieuwe aanpak het duurt minder dan een seconde om informatie over de oriëntatie van de lipiden te verkrijgen in een grote afbeelding die meerdere cellen bevat. Deze informatie wordt vervolgens gebruikt om een ​​reeks "lipide-orde"-afbeeldingen te construeren die de moleculaire oriëntatiedynamiek op subseconde tijdschalen laat zien.

Enkele membranen meten

De onderzoekers toonden aan dat hun techniek vervorming en lipidenorganisatie kon onthullen in kunstmatige lipidemembranen die lijken op de gepakte membranen van myeline. De techniek was zelfs gevoelig genoeg om de organisatie van lipiden rond rode bloedcellen te meten, die slechts een enkel lipidemembraan hebben.

"Ook al hebben we de techniek alleen gedemonstreerd met modelmembranen en enkele cellen, deze techniek is vertaalbaar naar biologisch weefsel, "zei Brasselet. "Het zal ons laten zien hoe moleculen zich gedragen, informatie die niet beschikbaar is van de morfologische beelden op micronschaal die zijn gemaakt met traditionele microscopietechnieken."

Brasselet zei dat de nieuwe techniek in de nabije toekomst zou kunnen worden gebruikt om de progressie van ziekten die gepaard gaan met een afbraak van de myelineschede beter te begrijpen, zoals Alzheimer en multiple sclerose. Bijvoorbeeld, het zou kunnen worden gebruikt om neuronen in levende muizen in beeld te brengen door de Raman-verstrooiingstechniek te combineren met bestaande methoden waarbij kleine vensters worden geïmplanteerd in de hersenen en het ruggenmerg van proefdieren.

"Uiteindelijk, we willen coherente Raman-beeldvorming ontwikkelen, zodat het in het lichaam kan worden gebruikt om ziekten in een vroeg stadium op te sporen, "zei Brasselet. "Om dit te doen, de techniek zou moeten worden aangepast om te werken met endoscopen of andere hulpmiddelen in ontwikkeling die op licht gebaseerde beeldvorming in het lichaam mogelijk maken."