Met een geavanceerde röntgencombinatietechniek, wetenschappers hebben met zeer hoge precisie nanodragers voor tuberculosemedicijnen in cellen opgespoord. De methode combineert twee geavanceerde scanning-röntgenmetingen en kan met zeer hoge resolutie minieme hoeveelheden van verschillende metalen in biologische monsters lokaliseren. zo meldt een team rond DESY-wetenschapper Karolina Stachnik in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten . Om zijn veelzijdigheid te illustreren, de onderzoekers hebben de combinatiemethode ook gebruikt om het calciumgehalte in menselijk bot in kaart te brengen, een analyse die het onderzoek naar osteoporose ten goede kan komen.

"Metalen spelen een sleutelrol in tal van biologische processen, van het zuurstoftransport in onze rode bloedcellen en de mineralisatie van botten tot de schadelijke ophoping van metalen in zenuwcellen zoals gezien bij ziekten zoals de ziekte van Alzheimer, " legt Stachnik uit, die werkt in het Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) bij DESY. Hoogenergetische röntgenstralen laten metalen oplichten in fluorescentie, een methode die zelfs voor kleine hoeveelheden erg gevoelig is. "Echter, de röntgenfluorescentiemetingen laten meestal niet de ultrastructuur van een cel zien, bijvoorbeeld, ", zegt DESY-wetenschapper Alke Meents die het onderzoek leidde. "Als je de metalen in je monster precies wilt lokaliseren, je moet de metingen combineren met een beeldvormende techniek." De ultrastructuur omvat de details van de celmorfologie die niet zichtbaar zijn onder een optische microscoop.

Als biologische monsters, zoals cellen, zijn erg gevoelig voor röntgenstraling, het is zeer gunstig om hun structuur gelijktijdig met de fluorescentieanalyse af te beelden. Om deze reden, het team combineerde de fluorescentiemetingen met een beeldvormingsmethode die bekend staat als ptychografie. "Een ptychografische microscoop lijkt veel op het maken van een panoramafoto, " legt Stachnik uit. "Een uitgebreid monster zoals een biologische cel wordt raster gescand met een kleine coherente röntgenstraal die veel overlappende beelden van delen van het monster produceert. Deze overlappende beelden worden daarna aan elkaar genaaid."

De toegepaste methode werkt zonder lenzen tussen het monster en de detector, en als gevolg daarvan worden op de detector zogenaamde röntgendiffractiepatronen geregistreerd. Elk van deze patronen bevat informatie over de ruimtelijke structuur van het respectieve deel van het monster, die uit het patroon kan worden berekend. "Dit resulteert uiteindelijk in een volledig kwantitatieve optische dichtheidskaart van het monster, " legt Stachnik uit. "Via dit complexe proces, ptychografie biedt ruimtelijke resoluties buiten de gebruikelijke grenzen van röntgenoptica."

Dankzij het scannende karakter, ptychografie kan worden gecombineerd met gelijktijdige acquisitie van röntgenfluorescentiemetingen die een unieke vingerafdruk van de monstervormende elementen opleveren. Op deze manier, een foto van de morfologie van het monster verkregen door ptychografie kan worden bedekt met een elementenkaart. "De gelijktijdige combinatie van deze twee complementaire beeldvormingsmethoden maakt daarom artefactvrije correlaties van sporenelementen met de structuur van het sterk opgeloste specimen mogelijk, ’ vat Meents samen.

Een fundamentele voorwaarde is dat de röntgenstralen slechts van één kleur zijn (monochromatisch, allemaal dezelfde golflengte hebben) en dat ze stapsgewijs oscilleren (coherent) zoals in een laser. "Voldoende heldere coherente monochromatische röntgenstralen met energieën die hoog genoeg zijn om metalen zoals ijzer te laten fluoresceren, zijn alleen beschikbaar gekomen bij moderne synchrotron-lichtbronnen zoals DESY's PETRA III, ', zegt Meents.

Om de methode te testen, de DESY-onderzoekers werkten samen met de groep van Ulrich Schaible van het Research Center Borstel om de lokalisatie en concentratie van nanodragers voor tuberculosemedicijnen in macrofagen te onderzoeken, de aasetercellen van het immuunsysteem. "Gebruikelijk, macrofagen vernietigen ziekteverwekkers zoals virussen en bacteriën. Helaas, tuberculosis-bacteriën zijn erin geslaagd vernietiging te ontwijken en zich in plaats daarvan in de macrofagen te verbergen, zelfs om ze te gebruiken om te groeien, ", zegt Schaible. "Als een barrière voor een effectieve behandeling, de niches van de bacteriën in macrofagen moeten door antibiotica worden bereikt om efficiënt te zijn."

Een nieuwe "Trojaans paard"-strategie maakt gebruik van ijzeren containers ter grootte van nanometers om antibiotica rechtstreeks in de cellen te brengen. Deze containers zijn hol, gevuld met antibiotica en met een diameter van minder dan 20 nanometer (een nanometer is een miljoenste millimeter). "Macrofagen slikken de containers in, en als ze eenmaal in de cel zijn, de ijzeren wanden van de kooien lossen langzaam op door de behoefte van de bacteriën aan ijzer. Eventueel, de antibiotica komen vrij en doden de bacteriën, ", legt Schaible uit.

Om de effectiviteit van deze strategie te evalueren, het team onderzocht macrofagen die ijzeren containers hadden gekregen. Met behulp van een speciaal ontwikkelde scanfase op de bio-imaging en diffractiebundellijn P11 van DESY's röntgenbron PETRA III, de onderzoekers konden ptychografische en fluorescentiebeelden van 14 cellen met subcellulaire resolutie vastleggen en in totaal 22 agglomeraten van nanocontainers daarin identificeren.

In een tweede toepassing werkten de onderzoekers samen met de groep van Björn Busse van het Universitair Medisch Centrum Hamburg-Eppendorf (UKE) en analyseerden het calciumgehalte in een monster van menselijk bot. "Calcium is een sleutelelement dat onze botten sterk maakt, " legt co-auteur Katharina Jähn van Busse's groep uit. "Echter, in tijden van hoge calciumbehoefte, het lichaam lost het op uit de botten om het elders te gebruiken. Deze en andere leeftijdsgerelateerde processen kunnen leiden tot osteoporose, treft bijna een kwart van alle vrouwen ouder dan 50 jaar in Duitsland."

Experimenteel onderzoek naar botmineralisatie wordt meestal uitgevoerd op kleine stukjes bot. "Echter, alleen het totale gehalte aan calcium wordt meestal op deze manier in kaart gebracht, ", zegt Stachnik. "Om een ​​juiste meting van de calciumconcentratie te krijgen, men moet corrigeren voor de vaak variërende dikte van het monster." Het team gebruikte een gelijktijdig verkregen ptychografisch beeld om de massa-diktevervorming uit de calciumverdelingskaart te verwijderen. "Met deze aanpak konden we een lokaal lager calciumgehalte waarnemen bij bepaalde punten in het bot, die helpt om het proces van botaandoeningen beter te begrijpen en om het effect van veranderingen in botmineralisatie bij patiënten te kwantificeren, " benadrukt Stachnik.

Om de methode nog verder te verbeteren, de onderzoekers zijn begonnen de analyse uit te breiden naar driedimensionale metingen. "De experimentele opstelling wordt momenteel uitgebreid om de acquisitie van 3D-tomografische datasets op bundellijn P11 mogelijk te maken, ", zegt Meents. "Omdat veel synchrotrons worden geüpgraded om nog helderdere röntgenstralen te produceren, we verwachten dat de methode de doorvoer zal verhogen en een routinematige toepassing zal worden bij deze faciliteiten."

Het Onderzoekscentrum Borstel, het Paul Scherrer Instituut in Zwitserland, het Karlsruhe Instituut voor Technologie, het Universitair Medisch Centrum Hamburg-Eppendorf en DESY waren bij dit onderzoek betrokken.

DESY is een van 's werelds toonaangevende deeltjesversnellercentra en onderzoekt de structuur en functie van materie - van de interactie van kleine elementaire deeltjes en het gedrag van nieuwe nanomaterialen en vitale biomoleculen tot de grote mysteries van het universum. De deeltjesversnellers en detectoren die DESY ontwikkelt en bouwt op haar locaties in Hamburg en Zeuthen zijn unieke onderzoeksinstrumenten. Ze genereren de meest intense röntgenstraling ter wereld, deeltjes versnellen om energieën vast te leggen en nieuwe vensters op het universum te openen. DESY is lid van de Helmholtz Vereniging, Duitslands grootste wetenschappelijke vereniging, en ontvangt zijn financiering van het Duitse federale ministerie van Onderwijs en Onderzoek (BMBF, 90 procent) en de Duitse deelstaten Hamburg en Brandenburg (10 procent).