Strumenti di imaging come i raggi X e la risonanza magnetica hanno rivoluzionato la medicina offrendo ai medici una visione ravvicinata del cervello e di altri organi vitali in vita, persone che respirano. Ora, I ricercatori della Columbia University segnalano un nuovo modo di ingrandire le scale più piccole per tenere traccia dei cambiamenti all'interno delle singole cellule.

Descritto nell'ultimo numero di Comunicazioni sulla natura , lo strumento combina un tracciante chimico ampiamente utilizzato, D2O, o acqua pesante, con un metodo di imaging laser relativamente nuovo chiamato scattering Raman stimolato (SRS). Le potenziali applicazioni della tecnica includono l'aiuto ai chirurghi a rimuovere i tumori in modo rapido e preciso, per aiutare a rilevare lesioni alla testa e disturbi dello sviluppo e metabolici.

"Possiamo usare questa tecnologia per visualizzare le attività metaboliche in una vasta gamma di animali, ", ha affermato l'autore senior dello studio Wei Min, professore di chimica alla Columbia University. "Tracciando dove e quando nuove proteine, si formano i lipidi e le molecole di DNA, possiamo imparare di più su come gli animali si sviluppano e invecchiano, e cosa va storto in caso di lesioni e malattie."

La svolta prevede l'uso di acqua pesante come tracciante chimico. Realizzato scambiando gli atomi di idrogeno dell'acqua con il loro parente più pesante, deuterio, l'acqua pesante ha l'aspetto e il sapore dell'acqua normale e in piccole dosi (non più di cinque cucchiai per l'uomo) è sicura da bere. Una volta metabolizzato dalle cellule del corpo, l'acqua pesante viene incorporata nelle proteine ​​di nuova produzione, lipidi e DNA, dove il deuterio forma legami chimici con il carbonio.

Quando questi legami carbonio-deuterio vengono colpiti dalla luce, vibrano a frequenze variabili, i ricercatori hanno scoperto, permettendo di identificare ogni macromolecola come una proteina, lipidi o DNA. Da queste firme di frequenza, potrebbero seguire la crescita di nuove proteine, lipidi e DNA nel cervello dell'animale, pelle, intestino e altri organi.

Sebbene l'acqua pesante sia già utilizzata per etichettare proteine ​​e lipidi per monitorare i cambiamenti metabolici, l'analisi viene attualmente eseguita su uno spettrometro di massa, sulle cellule estratte dal corpo. Questo metodo ora consente di visualizzare i cambiamenti subcellulari in tempo reale e nello spazio. "Otteniamo un quadro continuo di ciò che sta accadendo all'interno delle cellule animali viventi. In precedenza, abbiamo avuto solo un'istantanea, ", ha affermato l'autore principale dello studio, Lingyan Shi, un ricercatore post-dottorato alla Columbia.

Nello studio, i ricercatori hanno diluito l'acqua normale con D2O e l'hanno data ai nematodi, topi ed embrioni di zebrafish da bere. Puntare il laser SRS su una varietà di tessuti, hanno osservato per ore e giorni nuove proteine ​​etichettate con deuterio, lipidi e DNA accumulati.

In un esperimento, hanno visto emergere una linea luminosa intorno ai tumori del cervello e del colon in rapida crescita nei topi. Mentre le cellule cancerose si dividevano, più deuterio è stato incorporato nelle proteine ​​e nei lipidi di nuova produzione. "Questo metodo crea una linea netta tra tessuto sano e canceroso, rendendo molto più facile rimuovere il tumore, " disse Shi.

Gli esperimenti hanno anche offerto nuove informazioni sullo sviluppo e l'invecchiamento delle cellule.

*Nel nematode, hanno osservato la produzione di grasso aumentare e diminuire nel sistema riproduttivo del verme mentre invecchiava. Il grasso aiuta le uova del verme a maturare, e una volta che questo grasso aggiunto non serviva più, la formazione di grasso è rallentata, hanno trovato. Hanno anche visto grumi di nuova forma proteica nel corpo del vecchio verme, suggerendo che l'imaging SRS marcato con deuterio potrebbe essere utilizzato per tracciare i depositi di proteine, e quindi malattie legate all'invecchiamento.

*Nel cervello in via di sviluppo dei topolini, hanno osservato la formazione di uno strato di grasso isolante, chiamato guaina mielinica, intorno a ciascuna cella. Guardare il processo in tempo reale ha suggerito ai ricercatori che l'imaging SRS etichettato con deuterio potrebbe essere utilizzato per dire se il cervello di un bambino si sta sviluppando correttamente, o se pazienti affetti da sclerosi multipla, una malattia che attacca la mielina del cervello e interrompe il flusso di informazioni, potrebbe essere in ripresa.

*Nelle cellule delle ghiandole sudoripare dei topi, osservarono la formazione di nuovi lipidi nelle cellule ai margini esterni delle ghiandole sudoripare, spingendo verso l'interno le cellule più vecchie. Quando quelle vecchie cellule finalmente raggiunsero il centro delle ghiandole, sono morti e sono stati espulsi in un processo pensato per idratare la pelle e i capelli sopra.

"La bellezza di questo metodo di mappatura è la sua semplicità, "dice Eric Potma, un professore di chimica all'Università della California a Irvine che non era coinvolto nello studio. "Produce immagini vivide dell'attività metabolica nei tessuti con uno sforzo apparentemente minimo. Mentre il microscopio SRS continua a rimpicciolirsi, l'imaging SRS marcato con deuterio può aiutare a catturare i tumori in fasi molto più precoci".

Agendo con l'intuizione che l'elemento idrogeno si presentasse in una forma più pesante, Harold Urey, poi professore di chimica alla Columbia, riuscì a separare il deuterio dall'idrogeno liquido nel 1931. La scoperta gli valse un premio Nobel per la chimica tre anni dopo. Oltre a fungere da tracciante nella spettroscopia di massa, il deuterio oggi viene utilizzato per monitorare i cambiamenti nella circolazione oceanica, studiare la formazione delle stelle, e modulare le reazioni chimiche nella produzione di energia nucleare.