Wetenschappers van EPFL hebben een nieuwe beeldvormingstechniek gebruikt om te controleren hoe glucose, onze belangrijkste energiebron, wordt gebruikt in het lichaam. Hun bevindingen kunnen grote implicaties hebben voor ziekten zoals diabetes.

Glucose is essentieel voor de productie van energie in ons lichaam, en het niveau ervan in het bloed moet zorgvuldig worden gehandhaafd, vooral in gevoelige organen zoals de hersenen. In onze cellen, glucose wordt opgeslagen in een molecuul genaamd glycogeen. Maar ondanks het belang van glycogeen bij aandoeningen zoals diabetes en hypoglykemie, de distributie en het metabolisme in het lichaam is ongrijpbaar gebleven. Met behulp van een nieuwe beeldvormingstechnologie genaamd NanoSIMS - die eerder bijvoorbeeld werd gebruikt op meteorietmonsters - hebben wetenschappers van EPFL kunnen traceren hoe glycogeen wordt gebruikt in cellen van de lever en de hersenen. Hun werk wordt gepubliceerd in nanogeneeskunde .

Begrijpen hoe cellen opslaan, het verdelen en metaboliseren van glycogeen staat centraal bij de behandeling van geassocieerde aandoeningen zoals diabetes en hypoglykemie, beide worden gekenmerkt door een verminderde afbraak van glycogeen, waardoor er minder glucose in het bloed vrijkomt en daardoor energieverlies. Glycogeenuitputting veroorzaakt ook een veelvoorkomend fenomeen dat 'tegen de muur slaan' wordt genoemd bij langeafstandsatleten zoals marathonlopers, langlaufers, en fietsers.

Ondanks dat het van cruciaal belang is voor het goed functioneren van ons lichaam, de verdeling van glycogeen in de tijd is nog onduidelijk. Een van de redenen is dat de gebruikelijke beeldvormingstechniek die wordt gebruikt om het te traceren, magnetische resonantie beeldvorming of MRI, heeft niet de nodige gevoeligheid om de vereiste ruimtelijke resolutie te bereiken om glycogeen in individuele cellen af ​​te beelden.

Onder leiding van Arnaud Comment en Anders Meibom bij EPFL, in een samenwerking met collega's van EPFL en UNIL, de wetenschappers hebben een nieuwe beeldvormingstechnologie gebruikt om de evolutie van glycogeen in de lever en hersenen van muizen in de loop van de tijd met succes te volgen. NanoSIMS (SIMS staat voor Secondary Ion Mass Spectrometry) is een ionenmicrosonde die een vast monster bestookt met een bundel "zware" deeltjes, zoals cesiumatomen. Het bombardement dwingt ionen uit het monster te worden uitgeworpen, en ze worden vervolgens geïdentificeerd met een massaspectrometer. De uitlezing van individuele ionen wordt vervolgens gebruikt om de chemische componenten van het monster te identificeren.

NanoSIMS kan de resolutie van conventionele MRI-systemen overtreffen, omdat het een monster kan scannen met een ultrahoge ruimtelijke resolutie van 100 nanometer (ongeveer 1/100 van de lengte van een cel). Dit betekent dat NanoSIMS moleculen in een cel kan volgen, iets waar Comment en zijn collega's gebruik van maakten. "De vraag was kunnen we echt detecteren waar glucose wordt omgezet in glycogeen?" zegt Comment. "Dus een van onze doelen was om te zien hoe glycogeen in de loop van de tijd wordt verdeeld in levercellen en in de hersenen, en ook om de snelheid te bepalen waarmee glucose wordt opgenomen in glycogeen in deze cellen."

De onderzoekers gebruikten NanoSIMS op lever- en hersenweefselmonsters, die eerder was verrijkt met een type glucose dat kan worden getraceerd in beeldvorming. Echter, NanoSIM-afbeeldingen verschijnen als kleuren en lijnen, en zijn niet voldoende om moleculen in een cel te lokaliseren. Om deze reden, de monsters zijn ook gefotografeerd met een elektronenmicroscoop, die een actueel beeld van het weefsel en de cellen opleverden. Het team legde vervolgens het NanoSIMS-beeld over de echte foto van de elektronenmicroscoop, en zou dan een compleet beeld kunnen krijgen van de glycogeenverdeling in lever- en hersencellen.

Door deze methode op verschillende tijdsintervallen te gebruiken, de onderzoekers konden volgen hoe glycogeen in de loop van de tijd wordt gevormd, en in welke delen van de cellen. Hun bevindingen toonden aan dat levercellen glucose bijna 25 keer sneller in glycogeen opslaan dan hersencellen (astrocyten). "Dit is de eerste keer dat dit fenomeen op zo'n kleine schaal wordt gemeten, " zegt commentaar.

De methode kan worden gebruikt voor het volgen van andere biologische moleculen, zoals neurotransmitters in de hersenen. Dit is iets dat het team van Comment van plan is te doen, met als doel hun nieuwe benadering te gebruiken om beeldvorming met hoge resolutie te bereiken van hoe signaalmoleculen worden gedistribueerd en gemetaboliseerd in verschillende delen van de hersenen. Het team werkt ook aan het verbeteren van de precisie en nauwkeurigheid van detectie door deze te combineren met fluorescentiebeeldvorming.