Als prominente Form des Amyloidproteins haben sich Tau-Aggregate zu einem Hauptschwerpunkt der Forschung entwickelt, um die Mechanismen aufzudecken, die der Neurodegeneration zugrunde liegen. Verschiedene Arten von Tau-Aggregaten, darunter Tau-Fibrillen und -Oligomere, sind an einer Vielzahl neurodegenerativer Erkrankungen beteiligt. Der Bildungsmechanismus von Tau-Aggregaten und die damit verbundenen Krankheitswege sind jedoch noch wenig verstanden.
Die Untersuchung der Tau-Aggregation erfordert hochauflösende chemische Bildgebungswerkzeuge, die in der Lage sind, intrazelluläre volumetrische Tau-Aggregate in ihrer natürlichen Umgebung zu charakterisieren. Zu diesem Zweck wurden verschiedene Ansätze entwickelt, wie etwa Röntgenkristallographie, Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM), Kernspinresonanzspektroskopie, Zirkulardichroismus-Spektroskopie und auf Rasterkraftmikroskopie basierende Infrarotspektroskopie-Bildgebung.
Diese Methoden haben bei der Charakterisierung verschiedener Arten von Amyloidproteinen, einschließlich Tau-Aggregaten, erhebliche Fortschritte gemacht. Dennoch sind die vorhandenen Lösungen grundsätzlich dadurch eingeschränkt, dass sie nicht in der Lage sind, eine volumetrische ortsspezifische spektroskopische Analyse und dreidimensionale Abbildung intrazellulärer Proteinaggregate in ihrem natürlichen Zellzustand bereitzustellen. Daher bleibt die Herausforderung, dreidimensionale chemische Informationen intrazellulärer Proteinaggregate in ihrer natürlichen Zellumgebung wiederherzustellen, ein erhebliches Hindernis.
In einer aktuellen Veröffentlichung in Lichtwissenschaft und Anwendungen, Dr. Ji-Xin Cheng vom Photonics Center der Boston University, Dr. Jian Zhao (ehemaliges Mitglied des Cheng Lab der Boston University) vom Picower Institute for Learning and Memory am Massachusetts Institute of Technology, Dr. Benjamin Wolozin von der School of Medicine der Boston University, Dr. Lei Tian vom Department of Electrical and Computer Engineering der Boston University und ihre Kollegen präsentieren ein rechnergestütztes fluoreszenzgesteuertes photothermisches Mikroskop im mittleren Infrarotbereich (Mid-IR), bekannt als Fluoreszenz-geführtes Bond- Selektive Intensitätsbeugungstomographie (FBS-IDT). FBS-IDT integriert die Einzelphotonen-2D-Fluoreszenzbildgebung in die gepulste Pump-Probe-MIP-Intensitätsbeugungstomographie. Diese innovative Technik ermöglicht eine molekularspezifische chemische 3D-Bildgebung und eine ortsspezifische spektroskopische Analyse im mittleren Infrarotbereich von intrazellulären Tau-Fibrillen in der Zellflüssigkeit.
Insbesondere ermöglicht FBS-IDT die effiziente Extraktion chemischer Informationen zu bestimmten Proteinaggregaten aus Hintergrundproteinsignalen in Zellflüssigkeiten. Die 3D-spektroskopische Bildgebung von FBS-IDT kann eine hohe Geschwindigkeit (~0,05 Hz, bis zu ~6 Hz) und hohe Auflösungen (~350 nm lateral, ~1,1 µm axial) erreichen. Mithilfe dieser hyperspektralen chemischen 3D-Bildgebungsfähigkeit demonstriert FBS-IDT den möglichen Zusammenhang zwischen Tau-Fibrillen und Lipidansammlung. Insbesondere ist diese Technik in der Lage, tiefenaufgelöste Fingerabdruckspektren im mittleren Infrarotbereich zu extrahieren und die Proteinsekundärstruktur intrazellulärer Tau-Fibrillen im dreidimensionalen Raum zu visualisieren.
Die Wissenschaftler unterstrichen die Bedeutung und Vorteile der FBS-IDT-Technik: „FBS-IDT überwindet die Herausforderungen, die mit der chemischen 3D-Bildgebung intrazellulärer Amyloidproteinaggregate und ihrer Proteinsekundärstrukturen in flüssigen Umgebungen verbunden sind. Diese Leistung wird durch eine scanfreie und.“ Modularer Aufbau, der ein kostengünstiges Hellfeldmikroskop mit zusätzlichen Lichtquellen nutzt. Die Kosten des FBS-IDT-Systems sind mindestens 30-mal niedriger als die modernster Elektronenmikroskopiemethoden wie Kryo-EM und es entstehen vernachlässigbare Betriebskosten. Dieses kostengünstige Tischsystem eignet sich für den routinemäßigen Einsatz in den meisten Laborumgebungen.“
„Unsere Technik erlegt biologischen Proben keine zusätzlichen Einschränkungen auf und eröffnet damit einen neuen Weg für die In-vivo-Bildgebung intrazellulärer Proteinaggregate. Darüber hinaus basiert unsere Methode auf einem modularen Design, das leicht an verschiedene Bildgebungsanforderungen angepasst werden kann. Wir sind fest davon überzeugt.“ dass unsere FBS-IDT-Methode neuartige Beiträge zur Neurodegenerationsforschung und verschiedenen biomedizinischen Anwendungen bieten kann.“ fügten die Wissenschaftler hinzu.
Mehr Informationen:
Jian Zhao et al., Chemische Bildgebung intrazellulärer Tau-Fibrillen im mittleren Infrarotbereich mittels fluoreszenzgesteuerter rechnergestützter photothermischer Mikroskopie, Licht: Wissenschaft und Anwendungen (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01191-6