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 впервые 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 опухолевые и воспалительные клетки. Во-первых, клетки генетически модифицируют для производства так называемого фермента SNAP-метки на своей поверхности, уникального для клеток-мишеней. Затем фермент приводится в контакт с подходящим субстратом SNAP-метки. Субстрат помечен эмиттером сигнала и химически структурирован так, что он распознается и расщепляется ферментом, что позволяет переносить эмиттер сигнала на фермент. При этом фермент модифицируется таким образом, что он перестает быть активным, и в результате источник сигнала остается тесно связанным с ним. «Благодаря своей биологической активности фермент SNAP-метки, так сказать, метит себя - это происходит очень быстро и без нарушения естественных процессов в организме», - объясняет Доминик Депке, докторант биологии и один из ведущих авторов новой исследование.
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, а затем смогла визуализировать опухоли с помощью ПЭТ. «Самое интересное для нас в технологии SNAP-меток заключается в том, что она открывает перспективу визуализации генетически закодированных клеток в организме с помощью различных методов визуализации и на разных временных этапах - мы называем это мультимасштабной визуализацией», - объясняет специалист по ядерной медицине профессор Михаэль Шеферс..«Радиоактивные сигналы от фтора-18 остаются стабильными только в течение короткого времени, - добавляет радиохимик доктор Кристиан Пол Конкен, - но поскольку мы можем повторить второй этап мечения, мы потенциально можем визуализировать одни и те же клетки снова и снова в течение 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, как оно начинается, продолжается и разрешается. «Только объединив всю эту информацию, мы можем понять, как все взаимосвязано в организме», - говорит Михаэль Шеферс.
Маленькое начало с большим потенциалом
«Наши исследования - это самый первый шаг, на котором мы показали, что маркировка клеток SNAP-метками в принципе работает в живых организмах», - подчеркивает биохимик профессор Андреа Рентмайстер.«Здесь важно то, что субстрат быстро распределяется в организме и связывается исключительно с изучаемыми клетками». Следующими важными шагами будут проверка того, сколько клеток необходимо для получения достаточно сильного сигнала и можно ли 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 ту же систему биологической модели, и пришли к аналогичным выводам. «Это показывает, насколько актуален наш вопрос и что наши результаты воспроизводимы и действительно многообещающи», - говорит Михаэль Шеферс. Он добавляет, что команда из Тюбингена разрабатывает новые методы маркировки для изучения иммунных клеток при раке, в то время как команда из Мюнстера занимается воспалительными заболеваниями, поэтому исследования очень хорошо дополняют друг друга. Исследовательская группа из Мюнстера опубликовала свое исследование в научном журнале «Chemical Communications», всего через несколько дней публикация из Тюбингена вышла в «Pharmaceuticals».
Создание новой подложки для SNAP-метки
Как и все субстраты SNAP-tag, новая молекула основана на бензилгуанине, к которому ученые присоединили радиоактивный изотоп фтор-18, который, в свою очередь, идеально подходит для ПЭТ-визуализации.«Наша цель состояла в том, чтобы спроектировать синтез в несколько быстрых шагов, чтобы мы получили как можно более сильный сигнал - поскольку фтор-18 имеет короткий период полураспада, его радиоактивность снижается наполовину через каждые 110 минут», - объясняет Кристиан Пол. Конкен. 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, - говорит Лукас Рёснер, докторант биохимии, - поэтому мы сначала пометили маленькую молекулу, нечувствительную к необходимым химическим реакциям, - фторэтилазид, - а затем присоединили ее к к бензилгуанину с помощью клик-реакции, которая очень быстрая и селективная».
Тесты в пробирке, на культурах клеток и в организме
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. «Мы могли очень четко видеть, что радиоактивность поглощалась только клетками, которые производили фермент SNAP-метки», - говорит Доминик Депке. Наконец, команда провела целевые исследования на отдельных мышах. «Этот шаг снова стал решающим, - объясняет Михаэль Шеферс, - потому что то, как молекула ведет себя в сложной биологической среде в живом организме, невозможно полностью смоделировать 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.