Bildverktyg som röntgen och MR har revolutionerat medicinen genom att ge läkare en närbild av hjärnan och andra vitala organ i livet, andas människor. Nu, Columbia University forskare rapporterar ett nytt sätt att zooma in på de minsta skalorna för att spåra förändringar i enskilda celler.

Beskriven i det senaste numret av Naturkommunikation , verktyget kombinerar ett mycket använt kemiskt spårämne, D2O, eller tungt vatten, med en relativt ny laseravbildningsmetod som kallas stimulerad Ramanspridning (SRS). Teknikens potentiella tillämpningar inkluderar att hjälpa kirurger att snabbt och exakt ta bort tumörer, för att hjälpa till att upptäcka huvudskador och utvecklings- och metaboliska störningar.

"Vi kan använda denna teknik för att visualisera metaboliska aktiviteter hos ett stort antal djur, "sade studiens seniorförfattare Wei Min, en kemiprofessor vid Columbia University. "Genom att spåra var och när nya proteiner, lipider och DNA -molekyler bildas, vi kan lära oss mer om hur djur utvecklas och åldras, och vad som går fel vid skada och sjukdom. "

Genombrottet innebär användning av tungt vatten som ett kemiskt spårämne. Gjord genom att byta vattens väteatomer med deras tyngre släkting, deuterium, tungt vatten ser ut och smakar som vanligt vatten och i små doser (högst fem matskedar för människor) är det säkert att dricka. När de metaboliserats av celler i kroppen, tungt vatten införlivas i nyproducerade proteiner, lipider och DNA, där deuterium bildar kemiska bindningar med kol.

När dessa kol-deuteriumbindningar träffas med ljus, de vibrerar vid olika frekvenser, forskarna upptäckte, så att varje makromolekyl kan identifieras som ett protein, lipid eller DNA. Från dessa frekvensunderskrifter, de kan spåra tillväxten av nya proteiner, lipider och DNA i djurets hjärna, hud, tarmen och andra organ.

Även om tungt vatten redan används för att märka proteiner och lipider för att spåra metaboliska förändringar, analys görs för närvarande på en masspektrometer, på celler extraherade från kroppen. Denna metod gör det nu möjligt att visualisera subcellulära förändringar i realtid och rum. "Vi får en kontinuerlig bild av vad som händer inne i levande djurceller. Tidigare har vi hade bara en ögonblicksbild, "sa studiens medförfattare, Lingyan Shi, en postdoktor vid Columbia.

I studien, forskarna spädde vanligt vatten med D2O och gav det till rundmaskar, möss och zebrafiskembryon att dricka. Siktar SRS -lasern mot en mängd olika vävnader, de såg över timmar och dagar som nya deuteriummärkta proteiner, lipider och DNA byggs upp.

I ett experiment, de såg en ljus linje dyka upp runt snabbt växande hjärn- och tjocktumörer hos mössen. När cancercellerna delade sig, mer deuterium införlivades i deras nyproducerade proteiner och lipider. "Denna metod skapar en skarp gräns mellan frisk och cancerös vävnad, gör det mycket lättare att ta bort tumören, sa Shi.

Experimenten gav också nya insikter om cellutveckling och åldrande.

*I rundmask, de såg hur fettproduktionen stiger och sjunker i maskens reproduktiva system när den åldras. Fett hjälper maskens ägg att mogna, och när detta tillsatta fett inte längre var användbart, fettbildningen bromsas, de hittade. De såg också klumpar av nytt protein i den äldre maskens kropp, tyder på att deuteriummärkt SRS-avbildning kan användas för att spåra proteinavlagringar, och därmed åldrande sjukdom.

*I utvecklande hjärnor hos möss, de observerade bildandet av ett lager isolerande fett, kallade myelinhöljet, runt varje cell. Att titta på processen i realtid föreslog forskarna att deuteriummärkt SRS-avbildning kan användas för att berätta om ett barns hjärna utvecklas korrekt, eller om patienter som lider av multipel skleros, en sjukdom som angriper hjärnans myelin och stör informationsflödet, kan återhämta sig.

*I svettkörtelcellerna hos möss, de såg hur nya lipider bildades i celler vid svettkörtlarnas ytterkanter, trycker äldre celler inåt. När de gamla cellerna äntligen nådde mitten av körtlarna, de dog och utvisades i en process som trodde att återfukta huden och håret ovanför.

"Det fina med denna kartläggningsmetod är dess enkelhet, säger Eric Potma, en kemiprofessor vid University of California i Irvine som inte var inblandad i studien. "Det producerar levande bilder av metabolisk aktivitet i vävnader med till synes minimal ansträngning. Eftersom SRS -mikroskopet fortsätter att bli mindre, deuterium-märkt SRS-avbildning kan hjälpa till att fånga tumörer i mycket tidigare skeden. "

På grund av en aning om att elementet väte kom i en tyngre form, Harold Urey, sedan en kemiprofessor vid Columbia, lyckades separera deuterium från flytande väte 1931. Upptäckten gav honom ett Nobelpris i kemi tre år senare. Förutom att fungera som spårämne i masspektroskopi, deuterium används idag för att spåra förändringar i havscirkulationen, studera bildandet av stjärnor, och modulera kemiska reaktioner vid tillverkning av kärnkraft.