Als je een onderzoeker bent die wil zien hoe slechts een paar cellen in een organisme zich gedragen, het is geen eenvoudige taak. Het menselijk lichaam bevat ongeveer 37 biljoen cellen; de fruitvlieg die rond de overrijpe bananen op je aanrecht fladdert, heeft misschien 50, 000 cellen. Zelfs Caenorhabditis elegans, een kleine worm die veel wordt gebruikt in biologisch onderzoek, kan er maar liefst 3 hebben, 000 cellen. Dus, hoe bewaak je te midden van dat alles een paar microscopisch kleine stippen?

Wetenschappers die werken in het Caltech-lab van Mikhail G. Shapiro, hoogleraar chemische technologie en Heritage Medical Research Institute Investigator, een manier hebben gevonden.

De nieuwe techniek maakt gebruik van zogenaamde akoestische reportergenen, waarvan Shapiro een baanbrekende ontwikkelaar is geweest. Om akoestische reportergenen te begrijpen, eerst weten dat reportergenen een gespecialiseerd DNA-fragment zijn dat onderzoekers in het genoom van een organisme kunnen invoegen om hen te helpen begrijpen wat het doet. historisch, reportergenen hebben gecodeerd voor fluorescerende eiwitten. Bijvoorbeeld, als een onderzoeker een van deze reportergenen invoegt naast een gen dat hij wil bestuderen, zeg, het gen dat verantwoordelijk is voor de ontwikkeling van neuronen - de activering van die neurongenen zal ook fluorescerende eiwitmoleculen produceren. Als het juiste soort licht op die cellen schijnt, ze zullen oplichten, een beetje zoals hoe een markeerstift een specifieke passage in een boek kan markeren.

Deze fluorescerende reportergenen hebben echter een groot nadeel:licht dringt niet ver door in levende weefsels.

Dus, Shapiro heeft reportergenen ontwikkeld die geluid gebruiken in plaats van licht. Deze genen, wanneer ingebracht in het genoom van een cel, veroorzaken dat het microscopisch kleine holle eiwitstructuren produceert die bekend staan ​​​​als gasblaasjes. Deze blaasjes worden normaal gesproken aangetroffen in bepaalde soorten bacteriën die ze gebruiken om in water te blijven drijven, maar ze hebben ook de nuttige eigenschap dat ze "rinkelen" wanneer ze worden geraakt door ultrasone golven.

Het idee is dat wanneer een cel die deze blaasjes produceert, wordt afgebeeld met ultrageluid, het zal een akoestisch signaal uitzenden om zijn aanwezigheid aan te kondigen, zodat onderzoekers kunnen zien waar het is en wat het doet. Deze techniek is gebruikt om de activiteit van enzymen in cellen aan te tonen in eerder werk van Shapiro's lab.

In hun laatste krant het onderzoeksteam beschrijft hoe het de gevoeligheid van die techniek zo sterk heeft verhoogd dat het nu een enkele cel kan afbeelden, gelokaliseerd in lichaamsweefsel, dat een akoestisch reportergen draagt.

"In vergelijking met eerder werk aan gasblaasjes, dit document stelt ons in staat om veel kleinere hoeveelheden van deze gasblaasjes te zien, " zegt Daniel Sawyer (PhD '21), hoofdauteur en voormalig bio-engineering PhD-student in Shapiro's lab. "Dit is alsof je van een satelliet gaat die de lichten van een kleine stad kan zien, naar een die het licht van een enkele lantaarnpaal kan zien."

Hun verbeteringen vertegenwoordigen een meer dan 1000-voudige toename in gevoeligheid ten opzichte van de vorige techniek die ze gebruikten voor het afbeelden van cellen die de akoestische reportergenen dragen. Het verschil zit hem in het ultrageluid dat ze gebruiken en hoe de gasblaasjes erop reageren.

Terwijl de vorige beeldvormingstechniek vertrouwde op de blaasjes die rinkelden als een bel die is geslagen, de nieuwe techniek maakt gebruik van sterkere echografie die de blaasjes "knalt" als een ballon.

"De blaasjes produceren op dat moment een heel sterk signaal, "zegt Shapiro. "Dan breken de blaasjes en stoppen met het maken van een signaal. We zijn op zoek naar de kleine blip."

Die blip is zo duidelijk dat hij gemakkelijk kan worden opgespoord door de onderzoekers, zelfs te midden van al het achtergrondgeluid dat wordt geproduceerd door ultrageluid dat door weefsel dringt. Shapiro zegt dat recent werk aan gemanipuleerde stammen van injecteerbare bacteriën die kankercellen aanvallen, of "tumor-homing" bacteriën, creëert een behoefte aan betere manieren om deze cellen te volgen om te zien waar ze in het lichaam terechtkomen. De onderzoekers toonden aan dat toen de bacteriën ook werden gemanipuleerd om het gasblaasjesgen te dragen, het was mogelijk om individuele bacteriële cellen te volgen terwijl ze de lever binnenkwamen en door de lever reisden nadat ze in de bloedbaan waren geïnjecteerd.

Sawyer zegt dat dit niveau van gevoeligheid nodig is als onderzoekers echografie willen gebruiken om de samenstelling van het darmmicrobioom te bestuderen, die, wanneer verstoord, kan aandoeningen zoals de ziekte van Alzheimer en autisme beïnvloeden.

"Er zijn zoveel soorten bacteriën in je darm, en sommige zijn zo zeldzaam dat je iets gevoelig genoeg nodig hebt om er maar een paar diep in het lichaam te zien, " hij zegt.

Beschadigt het knallen van de blaasjes in cellen de cellen? Nee, niet echt.

"Het korte antwoord is nee, en het lange antwoord is in de meeste praktische gevallen nee, " zegt Sawyer. "Er zijn gevallen waarin enkele bacteriële cellen die erg klein zijn en een zeer grote hoeveelheid van deze gasblaasjes bevatten, worden beschadigd, maar het maakt niet veel uit voor de bacteriepopulatie als een paar van hen minder levensvatbaar worden. En in zoogdiercellen, we zagen geen negatief effect."

Shapiro en Sawyer volgen twee paden voor hun onderzoek in de toekomst. Eén pad zal voortbouwen op wat de onderzoekers al hebben ontwikkeld om meer geavanceerde beeldvormingstechnieken te creëren. Dat omvat het ontwerpen en testen van nieuwe soorten blaasjes met verschillende eigenschappen, zoals blaasjes die gemakkelijker knappen, of blaasjes die robuuster zijn, of kleinere blaasjes die op plaatsen passen waar grotere blaasjes niet kunnen. Het andere pad is het vinden van praktische toepassingen voor de technologie die ze hebben ontwikkeld, zegt Sawyer.

"Op het gebied van optische microscopie, er was deze co-evolutie van optische sondes en microscopiemethoden met technieken als twee-fotonmicroscopie en lichtbladmicroscopie [beide zijn soorten fluorescentiemicroscopie], " zegt Shapiro. "Danny's paper maakt deel uit van de ontwikkeling van de ultrasone analoog van die beeldvormende technieken."

Details van het proces zijn gepubliceerd in Natuurmethoden .