Продвинутая микроскопическая техника маркировки клеток для комплексной визуализации всего тела

Процессы и структуры внутри тела, обычно скрытые от глаза, могут быть сделаны видимыми через медицинскую визуализацию. Учёные используют визуализацию для изучения сложных функций клеток и органов и поиска способов лучше обнаруживать и лечить болезни. В повседневной медицинской практике изображения из тела помогают врачам диагностировать болезни и следить за тем, работают ли терапии. Чтобы иметь возможность изображать специфические процессы в теле, исследователи разрабатывают новые техники маркировки клеток или молекул так, чтобы они излучали сигналы, которые можно обнаружить снаружи тела и преобразовать в значимые изображения. Исследовательская команда в Мюнстерском университете теперь адаптировала стратегию маркировки клеток, используемую в микроскопии — так называемую технологию SNAP-tag — для использования в визуализации всего тела с позитронно-эмиссионной томографией (ПЭТ).

Этот метод маркирует клетки в два этапа, которые работают для совершенно разных типов клеток, таких как опухоли и воспалительные клетки. Сначала клетки генетически модифицируются для производства на своей поверхности так называемого фермента SNAP-tag, уникального для целевых клеток. Фермент затем вводится в контакт с подходящим субстратом SNAP-tag. Субстрат маркирован излучателем сигнала и химически структурирован так, что он распознаётся и расщепляется ферментом, позволяя излучателю сигнала передаться к ферменту. В процессе фермент модифицируется так, что он больше не активен, и в результате излучатель сигнала остаётся плотно связанным с ним. Согласно исследователям, фермент SNAP-tag маркирует сам себя через свою биологическую активность — это происходит очень быстро и без нарушения естественных процессов в организме.

В микроскопии для маркировки клеток используются флуоресцентные красители, но они в основном не подходят для визуализации всего тела, потому что их сигналы рассеиваются более толстыми слоями тканей, в результате чего их больше нельзя измерить. Чтобы решить эту проблему, учёные синтезировали новый субстрат SNAP-tag с использованием радиоактивного излучателя сигнала фтор-18. Команде удалось успешно пометить опухолевые клетки у мышей, введя этот субстрат в организм через кровоток. Затем они смогли визуализировать опухоли с помощью ПЭТ-визуализации.

Эта технология открывает перспективу визуализации генетически закодированных клеток в теле с разными модальностями визуализации и на разных временных этапах — исследователи называют это мультимасштабной визуализацией. Хотя радиоактивные сигналы от фтора-18 остаются стабильными только короткое время, второй этап маркировки может быть повторён, так что те же клетки можно визуализировать снова и снова на протяжении дней и недель.

Высокий уровень детали, обеспечиваемый микроскопией, позволяет изучать, как отдельные клетки общаются друг с другом. Обзор всей картины, предоставляемый визуализацией всего тела, позволяет учёным оценивать, как эти клетки функционируют как часть целых органных систем. Время может раскрыть, какую роль играют индивидуальные типы клеток во воспалении, например, когда оно начинается, продолжается и разрешается. Исследователи говорят, что комбинируя всю эту информацию, можно понять, как всё связано в теле.

Следующие критические шаги будут проверять, сколько клеток нужно для получения достаточно сильного сигнала, и может ли метод также использоваться для визуализации клеток, перемещающихся внутри организма — в частности, иммунных клеток. Если подход продолжит доказывать свою успешность, техника может стать важной для будущих исследований иммунотерапий, в которых собственные иммунные клетки тела генетически модифицируются в лаборатории, чтобы они могли бороться с конкретным заболеванием. Такие терапии уже используются для лечения рака и имеют потенциал помочь лечить воспалительные заболевания. Визуализация может помочь развивать и улучшать такие лечения.

Когда учёные представили свои результаты впервые на научном симпозиуме, их ждал сюрприз — коллеги из Тюбинга представили похожее исследование там в то же время. Независимо друг от друга, обе исследовательские команды пришли к одной и той же фундаментальной идее — субстрат SNAP-tag, помеченный фтором-18. Химически говоря, они реализовали идею по-разному, но тестировали полученные субстраты, используя одну и ту же биологическую модель и пришли к похожим выводам. Команда Тюбинга разрабатывает новые методы маркировки для изучения иммунных клеток в раке, в то время как команда в Мюнстере фокусируется на воспалительных заболеваниях, поэтому исследования отлично дополняют друг друга.

Как и все субстраты SNAP-tag, вновь разработанная молекула основана на бензилгуанине, к которому учёные присоединили радиоактивный изотоп фтор-18, который, в свою очередь, идеально подходит для ПЭТ-визуализации. Целью было спроектировать синтез в несколько быстрых шагов, чтобы получить максимально сильный сигнал. Поскольку у фтора-18 короткий период полураспада, его радиоактивность уменьшается вдвое каждые 110 минут. Изначально учёные обнаружили, что фтор-18 не присоединялся к желаемой позиции на молекуле. Бензилгуанин, казалось, был слишком чувствительным для прямой маркировки фтором-18. Поэтому исследователи сначала пометили маленькую молекулу, нечувствительную к необходимым химическим реакциям — флуороэтилазид — а затем присоединили её к бензилгуанину с помощью клик-реакции, которая очень быстрая и селективная.

Учёные сначала проверили, остаётся ли синтезированный субстрат стабильным при контакте с кровью в пробирке, а затем изучили, как клетки взаимодействуют с субстратом в первых практических тестах в культурах клеток. В так做, они сравнили человеческие опухолевые клетки, в которые они генетически включили фермент SNAP-tag, с теми, которые не производили фермент. Они могли очень чётко увидеть, что радиоактивность захватывалась только клетками, производящими фермент SNAP-tag. Наконец, команда провела целевые исследования на отдельных мышах, потому что поведение молекулы в сложной биологической среде живого организма не может быть полностью смоделировано в культуре клеток или с искусственно произведёнными органами. Учёные смогли показать, что после введения субстрата в кровоток он очень быстро распределяется по телу. Кроме того, они идентифицировали пути, через которые он выводится. Затем они сравнили, как опухолевые клетки с и без фермента SNAP-tag реагировали на субстрат в живых организмах. Для этого опухолевые клетки инъецировали под кожу мышей и удалили снова после обследования для подтверждения результатов авторадиографией.