Метод мечения клеток с помощью микроскопии, адаптированный для использования в визуализации всего тела

Процессы и структуры в организме, которые обычно скрыты от глаз, можно сделать видимыми с помощью медицинской визуализации. Ученые используют визуализацию для изучения сложных функций клеток и органов и поиска способов более эффективного выявления и лечения заболеваний. В повседневной медицинской практике изображения тела помогают врачам диагностировать заболевания и контролировать эффективность лечения. Чтобы иметь возможность изображать определенные процессы в организме, исследователи разрабатывают новые методы маркировки клеток или молекул, чтобы они излучали сигналы, которые можно было бы обнаружить вне тела и преобразовать в осмысленные изображения. Исследовательская группа из Университета Мюнстера адаптировала стратегию маркировки клеток, используемую в настоящее время в микроскопии — так называемую технологию SNAP-tag — для использования в визуализации всего тела с помощью позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ).

Этот метод маркирует клетки в два этапа, которые работают для совершенно разных типов клеток, таких как опухоли и воспалительные клетки. Во-первых, клетки генетически модифицируют для выработки на их поверхности так называемого фермента SNAP-метки, уникального для клеток-мишеней. Затем фермент приводится в контакт с подходящим субстратом SNAP-метки. Субстрат помечен эмиттером сигнала и химически структурирован таким образом, что он распознается и расщепляется ферментом, что позволяет передать эмиттеру сигнала ферменту. При этом фермент модифицируется таким образом, что он перестает быть активным, и в результате источник сигнала остается тесно связанным с ним. По словам исследователей, фермент SNAP-tag метит себя за счет своей биологической активности — это происходит очень быстро и без нарушения естественных процессов в организме.

В микроскопии флуоресцентные красители используются для маркировки клеток, но они в основном не подходят для визуализации всего тела, поскольку их сигналы рассеиваются более толстыми слоями ткани, в результате чего их больше нельзя измерить. Чтобы решить эту проблему, ученые синтезировали новый субстрат SNAP-метки, используя излучатель радиоактивных сигналов фтор-18. Команда успешно пометила опухолевые клетки у мышей, введя этот субстрат в организм через кровоток. Затем они смогли визуализировать опухоли с помощью ПЭТ.

Эта технология открывает перспективу визуализации генетически закодированных клеток в организме с помощью различных модальностей визуализации и на разных временных этапах — исследователи называют это многомасштабной визуализацией. Хотя радиоактивные сигналы от фтора-18 остаются стабильными только в течение короткого времени, второй этап мечения можно повторять, поэтому одни и те же клетки можно визуализировать снова и снова в течение нескольких дней и недель.

Высокий уровень детализации, обеспечиваемый микроскопией, позволяет изучать, как отдельные клетки взаимодействуют друг с другом. Общая картина, обеспечиваемая визуализацией всего тела, позволяет ученым оценить, как эти клетки функционируют как часть целых систем органов. Время может показать, какую роль отдельные типы клеток играют в воспалении, например, когда оно начинается, продолжается и разрешается. Исследователи говорят, что, объединив всю эту информацию, можно понять, как все взаимосвязано в организме.

Следующими важными шагами будут проверка того, сколько клеток необходимо для получения достаточно сильного сигнала и можно ли также использовать этот метод для визуализации клеток, которые перемещаются внутри организма, в частности, клеток иммунной системы. Если этот подход окажется успешным, этот метод может стать важным для будущих исследований в области иммунотерапии, при которой собственные иммунные клетки организма генетически модифицируются в лаборатории, чтобы они могли бороться с конкретным заболеванием. Такие методы лечения уже используются для лечения рака и могут также помочь в лечении воспалительных заболеваний. Визуализация может помочь в разработке и улучшении таких методов лечения.

Когда ученые впервые представили свои результаты на научном симпозиуме, их ждал сюрприз — коллеги из Тюбингена представили там аналогичное исследование в это же время. Независимо друг от друга, обе исследовательские группы имели одну и ту же фундаментальную идею — субстрат SNAP-метки, помеченный фтором-18. Говоря химическим языком, они реализовали эту идею по-разному, но протестировали полученные субстраты, используя одну и ту же систему биологической модели, и пришли к аналогичным выводам. Команда из Тюбингена разрабатывает новые методы маркировки для изучения иммунных клеток при раке, а группа из Мюнстера занимается изучением воспалительных заболеваний, поэтому исследования очень хорошо дополняют друг друга.

Как и все субстраты SNAP-метки, недавно разработанная молекула основана на бензилгуанине, к которому ученые присоединили радиоактивный изотоп фтор-18, который, в свою очередь, идеально подходит для ПЭТ-визуализации. Цель состояла в том, чтобы разработать синтез в несколько быстрых шагов, чтобы получить как можно более сильный сигнал. Поскольку фтор-18 имеет короткий период полураспада, его радиоактивность снижается наполовину через каждые 110 минут. Первоначально ученые обнаружили, что фтор-18 не присоединялся к желаемому положению на молекуле. Бензилгуанин, по-видимому, был слишком чувствителен, чтобы его можно было пометить непосредственно фтором-18. Итак, исследователи сначала пометили небольшую молекулу, нечувствительную к необходимым химическим реакциям, — фторэтилазид, — а затем присоединили ее к бензилгуанину с помощью клик-реакции, которая очень быстрая и селективная.

Ученые сначала проверили, остается ли синтезированный субстрат стабильным при контакте с кровью в пробирке, а затем изучили, как клетки взаимодействуют с субстратом в первых практических тестах на клеточных культурах. При этом они сравнили опухолевые клетки человека, в которые они генетически включили фермент SNAP-tag, с теми, которые не продуцировали этот фермент. Они могли очень ясно видеть, что радиоактивность поглощается только клетками, вырабатывающими фермент SNAP-tag. Наконец, команда провела целенаправленные исследования на отдельных мышах, потому что то, как молекула ведет себя в сложной биологической среде в живом организме, не может быть полностью смоделировано в клеточной культуре или с помощью искусственно созданных органов. Ученым удалось показать, что после введения субстрата в кровоток он очень быстро распространяется по организму. Кроме того, они определили пути, по которым он выводится из организма. Затем они сравнили, как опухолевые клетки с ферментом SNAP-tag и без него реагируют на субстрат в живых организмах. Для этого опухолевые клетки вводили мышам под кожу и снова удаляли после исследования для подтверждения результатов авторадиографией.