Fluoreszenz- und radiometrische Sonden liefern Forschern detailliertere Daten

Jiajie Diao und Yujie Sun von der University of Cincinnati verfolgen einen einfachen Forschungsansatz: Bleiben Sie aufgeschlossen und folgen Sie den Daten, wohin sie auch führen.

Das bedeutet, dass selbst zufällige Erkenntnisse ernst genommen werden und der Weg zu ihren Zielen nicht immer direkt von Punkt A nach Punkt B führt. Diese Denkweise hat zu einer fruchtbaren Zusammenarbeit geführt, wobei die Forscher kürzlich Artikel über neue Sonden veröffentlicht haben, die weitere Informationen darüber liefern, wie Zellen funktionieren in den Zeitschriften Chemische Wissenschaft Und Biosensoren und Bioelektronik.

Tiefer ins Gewebe schauen

Frühere vom Team entwickelte Sonden konzentrierten sich auf eine spezielle Struktur namens Lysosom, die als „Recyclingzentrum“ innerhalb der Zellen fungiert und kaputte oder fehlerhafte Materialien für verschiedene Zwecke wiederverwendet. Abnormale pH-Werte in Lysosomen werden mit zellulären Fehlfunktionen in Verbindung gebracht, die zu Krankheiten wie Krebs und Alzheimer führen können.

Zwei frühere Sondengenerationen lieferten immer detailliertere Informationen über den Säuregehalt von Lysosomen auf zellulärer Ebene, aber die kurzen Lichtwellenlängen, die die Sonde aktivierten, waren nicht stark genug, um in Gewebe einzudringen.

„Wir mussten kürzere Wellenlängen verwenden, um die Sonde anzuregen, und normalerweise sind es sichtbare Wellenlängen, daher ist ihre Durchdringung wirklich begrenzt“, sagte Diao, Ph.D., außerordentlicher Professor in der Abteilung für Krebsbiologie am College of Medicine der UC. „Wir konnten nicht in die Tiefe vordringen, also ist es gut für die zelluläre Bildgebung, aber es ist nicht gut für Gewebe oder die Forschung an lebenden Organismen (in vivo).“

Der neueste Fortschritt der Forscher bestand darin, zwei Photonen niedrigerer Energie und längerer Wellenlänge zur Aktivierung der Sonden zu verwenden. Die als Zwei-Photonen-Bildgebung bezeichneten längeren Wellenlängen können tiefer eindringen, sodass Untersuchungen an Tiermodellen und menschlichem Gewebe durchgeführt werden können.

Sun und Diao haben drei Zwei-Photonen-Sonden entwickelt, die sich in verschiedenen Bereichen von Zellen befinden und zur besseren Visualisierung von Organellen oder speziellen Strukturen innerhalb von Zellen verwendet werden können.

„Es kann für die Zwei-Photonen-Mikroskopie verwendet werden, um 3D-Bilder von Zellen, Organoiden und Geweben zu zeigen“, sagte Sun, Ph.D., Professor an der Fakultät für Chemie der UC. „Wir entwickeln neue Zwei-Photonen-absorbierende Fluoreszenzsonden, die auf verschiedene Faktoren wie pH-Wert, Viskosität und Ionenspezies reagieren.“

„Oft sind Gewebe- oder sogar In-vivo-Messungen wichtiger als zelluläre“, fügte Diao hinzu. „Diese Sonde beleuchtet einzelne Organellen und ist viel besser als die derzeit erhältlichen kommerziellen Zwei-Photonen-Sonden.“

Detaillierte Beschreibung der Lebensfähigkeit einzelner Zellen

Forscher, die neue Behandlungen für Krankheiten wie Krebs testen, messen die Lebensfähigkeit der Zellen oder ob eine Zelle stirbt oder aktiv bleibt, nachdem sie mit einer Behandlung in Kontakt gekommen ist.

„Wenn man eine Behandlung durchführt, überprüft man immer als Erstes die Lebensfähigkeit der Zellen“, sagte Diao.

Traditionell wurde die Lebensfähigkeit von Zellen gemessen, indem man eine große Population von Millionen von Zellen gleichzeitig betrachtete, was laut Diao so sei, als würde man einer ganzen Gruppe von Studenten die gleiche Prüfungsnote basierend auf ihrer Durchschnittspunktzahl geben.

„Jeder kann irgendwann das Gefühl haben, dass es unfair ist, weil jeder anders ist“, sagte Diao. „Und jede Zelle ist anders.“

Fortschritte auf dem Gebiet der Zellbiologie haben zu einem neuen Interesse an der Messung der Lebensfähigkeit einzelner Zellen geführt, was einer Bewertung jedes Schülers auf der Grundlage seiner eigenen Prüfungsleistung gleichkommt. Dies bietet Forschern spezifischere Erkenntnisse, indem es zeigt, wie verschiedene Zelltypen auf die getesteten Behandlungen reagieren.

Bei der Arbeit an der vorherigen Sonde, die den Säuregehalt der Zellen maß, entwickelten Diao und Sun eine Kontrollversion, die nicht empfindlich auf Änderungen des pH-Werts reagierte. Völlig zufällig stellten sie fest, dass diese Version der Sonde, obwohl sie strukturell ähnlich war, sich anders verhielt und sich an verschiedenen Organellen lokalisierte.

Die neue Sonde färbt zunächst die Mitochondrien der Zelle, die als Kraftwerk fungieren und die Zelle mit Energie versorgen. Wenn die Zelle jedoch beschädigt ist, bewegt sich die Sonde selbst und färbt den Zellkern, der das genetische Material der Zelle enthält.

„Irgendwann wird das Signal auf den Mitochondrien schwächer und das Signal auf dem Zellkern stärker. Durch die Messung des Farbintensitätsverhältnisses zwischen den Mitochondrien und dem Zellkern können wir also die Lebensfähigkeit einzelner Zellen quantitativ beurteilen“, sagte Diao. „Das ist ein ganz neues Konzept. Das hat noch niemand gemacht.“

Langfristig hofft das Team, dass die Sonde genutzt werden kann, um mehr über biologische Unterschiede zu erfahren, die beeinflussen, ob eine Zelle durch eine Behandlung sofort abgetötet wird oder eine Resistenz entwickelt und davon unberührt bleibt.

„Es muss etwas anderes sein“, sagte Diao. „Wir wollen die schlechten Zellen abtöten und die guten Zellen länger leben lassen. Wir wollen das auf der Ebene der einzelnen Zellen unterstützen.“

Sun sagte, dass sie auch daran arbeiten werden, das sogenannte Spektralfenster der Sonde oder die maximale Wellenlänge, die zur Aktivierung der Sonde verwendet werden kann, zu erweitern.

„Da längerwellige Photonen besser in das Gewebe eindringen, können wir tiefer blicken“, sagte Sun.

Erfolgreiche Zusammenarbeit

Sun und Diao sind Co-Direktoren des Center for Chemical Imaging in Biomedicine der UC, dessen Ziel es ist, die Grenzen der Bildgebung durch die Entwicklung neuer Methoden, Sonden und Geräte zu erweitern.

Seitdem sich das Duo zusammengeschlossen hat, ist es ein produktives Team, Forschungsergebnisse zu veröffentlichen und Fortschritte zu erzielen. Diao lobt ihre gemeinsame Denkweise, keine vorgefassten Vorstellungen darüber zu haben, wohin die Forschung für ihren Erfolg führen könnte.

„Ich denke, das Wichtigste ist, immer aufgeschlossen zu bleiben, häufig zu kommunizieren und sich nicht einschränken zu lassen“, sagte er. „Wir sagen immer, Daten sind Daten. Der größte Kampf wird oft der Kampf zwischen einer vorgegebenen Vorstellungskraft sein.“

Das Forschungsteam hat immer größere Ziele vor Augen und passt Erwartungen und Ziele ständig an, wenn es eine Chance für greifbare Fortschritte sieht.

Diao bemerkte, dass sie ursprünglich mit dem Ziel zusammengearbeitet hatten, sofort eine Zwei-Photonen-Sonde zu entwickeln, aber sie hatten nicht die richtige Erfahrung. Anstatt sich ziellos abzumühen, wechselten sie den Gang, entwickelten Zellsonden und erlangten das Wissen, das für die Herstellung der Zwei-Photonen-Sonden erforderlich war.

Sun sagte, ein weiterer wichtiger Aspekt der Partnerschaft sei der Chemiestudent Rui Chen, den Diao und Sun gemeinsam beraten.

„Rui war die Brücke zwischen unseren Gruppen und daher ist sich Jiajie der Fortschritte, die wir in meinem Labor machen, voll bewusst“, sagte Sun. „Das komplementäre Fachwissen unserer beiden Gruppen macht uns wirklich zu einem großartigen Team, das synergetisch zusammenarbeitet. Ich bin optimistisch, was unsere zukünftigen Erfolge im Bioimaging angeht.“