Гены говорят клеткам, что делать - например, когда исправлять ошибки ДНК или когда умирать - и могут быть включены или выключены, как выключатель света. Знание того, какие гены включены или экспрессируются, важно для лечения и мониторинга заболевания. Теперь впервые ученые Калифорнийского технологического института разработали простой способ визуализации экспрессии генов в клетках глубоко внутри тела с использованием общей технологии визуализации.
Исследователи в лаборатории Михаила Шапиро, доцента кафедры химического машиностроения и исследователя Научно-исследовательского медицинского института наследия, изобрели новый метод связывания сигналов магнитно-резонансной томографии (МРТ) с экспрессией генов в клетках, включая опухолевые клетки, в живые ткани. Этот метод, который в конечном итоге можно будет использовать на людях, позволит контролировать экспрессию генов неинвазивно, не требуя хирургических процедур, таких как биопсия.
Работа опубликована в онлайн-выпуске журнала Nature Communications от 23 декабря.
В МРТ атомы водорода в организме - атомы, которые в основном содержатся в молекулах воды и жира - возбуждаются с помощью магнитного поля. Возбужденные атомы, в свою очередь, испускают сигналы, которые можно использовать для создания изображений мозга, мышц и других тканей, различаемых на основе локального физического и химического окружения молекул воды. Хотя этот метод широко используется, он обычно дает только анатомические снимки тканей или физиологических функций, таких как кровоток, а не наблюдения за активностью конкретных клеток.
«Мы подумали, что если бы мы могли связать сигналы от молекул воды с экспрессией интересующих генов, мы могли бы изменить то, как клетка выглядит на МРТ», - говорит Арнаб Мукерджи, научный сотрудник с докторской степенью в области химического машиностроения в Калифорнийском технологическом институте и со-ведущий автор статьи.
Группа обратилась к белку, который естественным образом встречается в организме человека, который называется аквапорином. Аквапорин находится внутри мембраны, покрывающей клетки, и действует как привратник для молекул воды, позволяя им перемещаться в клетку и из нее. Команда Шапиро поняла, что увеличение количества аквапоринов в данной клетке выделяет ее на изображениях МРТ, полученных с использованием распространенной клинической техники, называемой диффузионно-взвешенной визуализацией, которая чувствительна к движению молекул воды. Затем они связали аквапорин с интересующими генами, сделав его тем, что ученые называют репортерным геном. Это означает, что при включении интересующего гена клетка будет сверхэкспрессировать аквапорин, из-за чего клетка выглядит темнее на диффузионно-взвешенной МРТ.
Исследователи показали, что этот метод был успешным в мониторинге экспрессии генов в опухоли головного мозга у мышей. После имплантации опухоли они дали мышам лекарство, которое запускало опухолевые клетки для экспрессии репортерного гена аквапорина, из-за чего опухоль выглядела темнее на МРТ-изображениях.
«Сверхэкспрессия аквапорина не оказывает негативного влияния на клетки, потому что он присутствует исключительно в воде и просто позволяет молекулам перемещаться вперед и назад через клеточную мембрану», - говорит Шапиро. В нормальных физиологических условиях количество молекул воды, входящих и выходящих из клетки, экспрессирующей аквапорины, одинаково, так что общее количество воды в каждой клетке не меняется. «Аквапорин - это очень удобный способ генетически изменить то, как клетки выглядят на МРТ».
Хотя работа была проведена на мышах, по словам Шапиро, у нее есть потенциал для клинического применения. Аквапорин является природным геном и не вызывает иммунную реакцию. Ранее разработанные репортерные гены для МРТ были гораздо более ограничены в своих возможностях, требуя использования определенных металлов, которые не всегда доступны в некоторых тканях.
«Эффективный репортерный ген для МРТ - это «святой Грааль» в биомедицинской визуализации, потому что он позволит наблюдать за клеточной функцией неинвазивно», - говорит Шапиро.«Аквапорины - это новый взгляд на эту проблему. Удивительно, что просто позволяя молекулам воды более легко проникать в клетки ткани и выходить из них, мы можем удаленно видеть эти клетки в середине тела».