Forscher untersuchen eine einzelne Zelle mit modernen Röntgenbildgebungsverfahren

Jede Pflanze, jedes Tier und jeder Mensch ist ein reichhaltiger Mikrokosmos aus winzigen, spezialisierten Zellen. Diese Zellen sind Welten für sich, jede mit ihren eigenen einzigartigen Teilen und Prozessen, die dem bloßen Auge entgehen.

Es war bisher eine Herausforderung, die Funktionsweise dieser mikroskopischen Bausteine ​​in einer Auflösung im Nanometerbereich abzubilden, ohne ihre empfindlichen Organellen zu beschädigen. Wissenschaftler aus unterschiedlichen Fachbereichen des Brookhaven National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) haben nun jedoch eine effektive Methode gefunden, eine einzelne Zelle mithilfe mehrerer Techniken abzubilden.

Der faszinierende Prozess der Aufnahme dieser Bilder ist veröffentlicht In Kommunikationsbiologie.

Die Fähigkeit, die inneren Strukturen von Zellen zu verstehen, die Art und Weise, wie Chemikalien und Proteine ​​in ihnen interagieren und wie diese Interaktionen bestimmte biologische Prozesse in Nanometerauflösung signalisieren, kann bedeutende Auswirkungen auf die Medizin, die Landwirtschaft und viele andere wichtige Bereiche haben. Diese Arbeit ebnet auch den Weg für bessere biologische Bildgebungsverfahren und neue Instrumente zur Optimierung der biologischen Bildgebung.

„Das Studium menschlicher Zellen und der Organellen in ihrem Inneren ist spannend“, sagte Qun Liu, Strukturbiologe am Brookhaven Lab, „aber es gibt so viele Möglichkeiten, von unserem multimodalen Ansatz zu profitieren, der Computertomografie mit harter Röntgenstrahlung und Röntgenfluoreszenzbildgebung kombiniert.“

„Wir können pathogene Pilze oder nützliche Bakterien untersuchen. Wir können nicht nur die Struktur dieser Mikroorganismen sehen, sondern auch die chemischen Prozesse, die ablaufen, wenn Zellen auf unterschiedliche Weise interagieren.“

Einen der Bausteine ​​des Lebens herausziehen

Bevor die Forscher überhaupt mit der Bildgebung begannen, bestand eine ihrer größten Herausforderungen darin, die Probe selbst vorzubereiten. Das Team entschied sich für eine Zelle aus der humanen embryonalen Nierenlinie (HEK) 293. Diese Zellen sind dafür bekannt, dass sie leicht zu züchten sind, sich jedoch nur schwer mehrfach mit Röntgenstrahlen messen lassen. Obwohl sie sehr klein sind, sind Zellen recht anfällig für durch Röntgenstrahlen verursachte Schäden.

Um die Probe robuster zu machen, führten die Wissenschaftler ein sorgfältiges, mehrstufiges Verfahren durch. Sie verwendeten Paraformaldehyd, um die Struktur der Zelle chemisch zu konservieren, ließen die Proben dann von einem Roboter schnell einfrieren, indem er sie in flüssiges Ethan tauchte, sie in flüssigen Stickstoff überführte und sie schließlich gefriertrocknete, um das Wasser zu entfernen, die Zellstruktur jedoch zu erhalten.

Nachdem dieser Prozess abgeschlossen war, legten die Forscher die gefriergetrockneten Zellen unter ein Mikroskop, um sie für eine gezielte Bildgebung zu lokalisieren und zu markieren.

Da die Probe nur einen Durchmesser von etwa 12–15 Mikrometern hat (ein menschliches Haar ist durchschnittlich 150 Mikrometer dick), war es nicht einfach, sie für Messungen vorzubereiten, insbesondere für Messungen an verschiedenen Strahllinien. Das Team musste sicherstellen, dass die Struktur der Zelle mehrere Messungen mit hochenergetischen Röntgenstrahlen ohne nennenswerte Schäden übersteht und dass die Zelle für mehrere Messungen zuverlässig an einem Ort gehalten werden kann.

Um diese Hürden zu überwinden, entwickelten die Wissenschaftler standardisierte Probenhalter für den Einsatz auf mehreren Geräten und setzten optische Mikroskope ein, um die Zelle schnell zu finden und abzubilden und die längere Röntgenbestrahlung, die die Zelle schädigen könnte, zu minimieren.

Multimodale Messungen

Das Team verwendete zwei Bildgebungsverfahren der National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) – einer Nutzereinrichtung des DOE Office of Science in Brookhaven –: Röntgen-Computertomographie (XCT) und Röntgenfluoreszenzmikroskopie (XRF).

Die Forscher sammelten XCT-Daten, die mithilfe von Röntgenstrahlen Informationen über die physikalische Struktur der Zelle liefern, an der Full Field X-ray Imaging (FXI)-Strahllinie. Bei der Tomographie werden Röntgenstrahlen verwendet, um einen Querschnitt einer festen Probe darzustellen. Ein bekanntes Beispiel hierfür ist die Computertomographie, mit der Mediziner Querschnitte beliebiger Körperteile abbilden.

Die Forscher sammelten XRF-Mikroskopiedaten, die weitere Hinweise auf die Verteilung chemischer Elemente innerhalb der Zelle liefern, an der Submicron Resolution X-ray Spectroscopy (SRX)-Strahllinie. Bei dieser Technik richten die Forscher hochenergetische Röntgenstrahlen auf eine Probe, regen das Material an und veranlassen es zur Emission von Röntgenfluoreszenz.

Die Röntgenemission hat ihre eigene, einzigartige Signatur, anhand derer die Wissenschaftler genau wissen, aus welchen Elementen die Probe besteht und wie diese verteilt sind, um ihre biologischen Funktionen zu erfüllen.

„Wir wollten XCT- und XRF-Bildgebung kombinieren, da beide Verfahren einzigartige, sich ergänzende Informationen liefern“, sagte Xianghui Xiao, leitender Strahllinienwissenschaftler bei FXI. „Die Fluoreszenz liefert uns viele nützliche Informationen über die Spurenelemente in Zellen und ihre Verteilung.“

„Das sind sehr wichtige Informationen für Biologen. Eine hochauflösende Fluoreszenzkarte von vielen Zellen zu erhalten, kann allerdings sehr zeitaufwändig sein. Selbst für ein 2D-Bild kann es mehrere Stunden dauern.“

Hier ist es hilfreich, mithilfe der Röntgen-Computertomographie ein 3D-Bild der Zelle zu erhalten. Diese Informationen können dabei helfen, die Fluoreszenzmessungen auf bestimmte interessante Stellen zu lenken. Dies spart den Wissenschaftlern Zeit, erhöht den Durchsatz und stellt außerdem sicher, dass die Probe nicht so lange den Röntgenstrahlen ausgesetzt werden muss, wodurch potenzielle Schäden an der empfindlichen Zelle verringert werden.

„Dieser korrelative Ansatz liefert nützliche, ergänzende Informationen, die mehrere praktische Anwendungen voranbringen könnten“, bemerkte Yang Yang, ein Strahllinienwissenschaftler bei SRX. „Für etwas wie die Arzneimittelverabreichung können bestimmte Organellenuntergruppen identifiziert und dann bestimmte Elemente verfolgt werden, wenn sie während der Behandlung neu verteilt werden, was uns ein klareres Bild davon gibt, wie diese Arzneimittel auf zellulärer Ebene wirken.“

Diese Fortschritte in der Bildgebung haben zwar einen besseren Einblick in die Zellwelt ermöglicht, es sind jedoch noch Herausforderungen zu bewältigen und Möglichkeiten zur weiteren Verbesserung der Bildgebung zu finden. Im Rahmen des NSLS-II Experimental Tools III-Projekts – einem Plan zum Aufbau neuer Strahllinien, um der Benutzergemeinschaft neue Möglichkeiten zu bieten – ist Yang wissenschaftlicher Leiter des Teams, das an der kommenden Strahllinie für quantitative Zelltomographie (QCT) arbeitet, die sich der Biobildgebung widmen wird.

QCT ist eine Vollfeld-Strahllinie für weiche Röntgentomographie zur Abbildung gefrorener Zellen mit Nanoauflösung ohne chemische Fixierung. Diese Kryo-Strahllinie für weiche Röntgentomographie ergänzt aktuelle Methoden und liefert noch mehr Details über Zellstruktur und -funktionen.

Zukünftige Erkenntnisse

Es ist faszinierend, einen Blick in die Zellen werfen zu können, aus denen die Systeme des menschlichen Körpers bestehen. Doch wenn Wissenschaftler die Krankheitserreger verstehen, die diese Systeme angreifen und stören, können sie bei der Bekämpfung von Infektionskrankheiten einen Vorteil erlangen.

„Mit dieser Technologie können wir die Wechselwirkung zwischen einem Krankheitserreger und seinem Wirt untersuchen“, erklärte Liu. „Wir können den Krankheitserreger und eine gesunde Zelle vor der Infektion untersuchen und sie dann während und nach der Infektion bildlich darstellen. Wir werden strukturelle Veränderungen sowohl beim Krankheitserreger als auch beim Wirt feststellen und den Prozess besser verstehen.“

„Wir können auch die Interaktion zwischen nützlichen Bakterien im menschlichen Mikrobiom oder Pilzen untersuchen, die eine symbiotische Beziehung mit Pflanzen haben.“

Liu arbeitet derzeit mit Wissenschaftlern aus anderen nationalen Laboratorien und Universitäten im Rahmen des biologischen und ökologischen Forschungsprogramms des Energieministeriums (DOE) an der Untersuchung der molekularen Wechselwirkungen zwischen Sorghum und Colletotrichum sublineola, dem pathogenen Pilz, der Anthraknose verursacht, die die Blätter von Pflanzen schädigen kann.

Sorghum ist laut Energieministerium eine wichtige Bioenergiepflanze und die fünftwichtigste Getreidepflanze der Welt. Die Menschheit könnte also viel gewinnen, wenn sie die Taktiken dieses zerstörerischen Pilzes und die Funktionsweise der Abwehrkräfte von Sorghum auf zellulärer und molekularer Ebene verstünde.

Die Fähigkeit, in diesem Maßstab zu sehen, kann Wissenschaftlern Einblicke in die Kriege geben, die Krankheitserreger gegen Nutzpflanzen, die Umwelt und sogar den menschlichen Körper führen. Diese Informationen können dabei helfen, die richtigen Werkzeuge zu entwickeln, um diese Eindringlinge zu bekämpfen oder Systeme zu reparieren, die auf grundlegender Ebene nicht optimal funktionieren. Der erste Schritt besteht darin, eine Welt sehen zu können, die das menschliche Auge nicht sehen kann, und Fortschritte in der Synchrotronforschung haben sich als wirksames Werkzeug erwiesen, um diese Welt zu enthüllen.