Forskare har utvecklat en snabb och praktisk avbildningsteknik i molekylär skala som kan låta forskare se dynamiken i biologiska processer som är inblandade i neurodegenerativa sjukdomar som Alzheimers sjukdom och multipel skleros.

Den nya tekniken avslöjar ett provs kemiska sammansättning samt orienteringen av molekyler som utgör provet, information som kan användas för att förstå hur molekyler beter sig. Vad mer, den förvärvar denna information på bara några sekunder, betydligt snabbare än de minuter som krävs av andra tekniker. Den snabbare hastigheten innebär att det för första gången kommer att vara möjligt att titta på sjukdomsprogression i levande djurmodeller på molekylär nivå. Med vidare utveckling, tekniken kan också användas för att upptäcka tidiga tecken på neurodegenerativa sjukdomar hos människor.

I Optica , The Optical Society's journal for high impact research, forskare under ledning av Sophie Brasselet från Institut Fresnel, CNRS, Aix Marseille Université, Frankrike, rapportera sin nya teknik, kallad höghastighetspolarisering löste sammanhängande Raman-spridningsavbildning. De använde konstgjorda lipidmembran för att demonstrera teknikens förmåga att förbättra neurologisk forskning.

De konstgjorda membranen som används i studien är gjorda av packade lager av lipider som liknar de som finns i myelinhöljet som täcker axoner för att hjälpa elektriska impulser att röra sig snabbt och effektivt. När sjukdomar som Alzheimers och multipel skleros utvecklas, dessa lipider börjar desorganisera och lipidlagren förlorar sin vidhäftning. Detta får i slutändan myelinhöljet att lossna från axonet och leder till funktionsfel i neurala signaler.

"Vi konstruerade en teknik som kan bilda molekylär organisation i celler och vävnader som i slutändan kan låta oss se det tidiga stadiet av denna lossning och hur lipider är organiserade inom denna myelinhölje, "sa armbandet." Detta kan hjälpa oss att förstå utvecklingen av sjukdomar genom att identifiera i vilket skede lipider börjar desorganisera, till exempel, och vilka molekylära förändringar som sker under denna tid. Detta kan möjliggöra nya riktade läkemedelsbehandlingar som fungerar annorlunda än de som används nu. "

Tittar på molekyler i realtid

Den nya tekniken som utvecklats av Brasselet och hennes forskargrupp använder en olinjär effekt som kallas koherent Ramanspridning som uppstår när ljus interagerar med molekyler. Frekvensen, eller våglängd, av den olinjära signalen ger den kemiska sammansättningen av ett prov baserat på dess molekylära vibrationer, utan att behöva lägga till ytterligare fluorescerande etiketter eller kemikalier.

Forskarna byggde på ett befintligt tillvägagångssätt som kallas stimulerad Raman -spridningsbildning, som förstärker Raman -signalen genom att modulera laserljusets intensitet, eller makt. För att erhålla molekylär orienteringsinformation från den koherenta Ramansignalen, forskarna använde en elektro-optisk enhet som kallas en Pockels-cell för att snabbt modulera laserns polarisering snarare än dess intensitet.

"Vi tog begreppet intensitetsmodulering som används för stimulerad Raman-spridning och överförde det till polarisationsmodulering med hjälp av en hyllanordning, "sa Brasselet." Signaldetekteringen för vår teknik liknar mycket det som görs med stimulerad Ramanspridning, förutom att istället för att bara detektera ljusets intensitet, vi upptäcker polarisationsinformation som berättar om molekyler är mycket orienterade eller totalt oorganiserade. "

Nyckeln, dock, är att skaffa orienteringsinformation tillräckligt snabbt för att fånga mycket dynamiska biologiska processer på molekylär nivå. Tidigare metoder var långsamma eftersom de fick en bild, sedan polarisationsinformationen, och upprepade sedan processen för att fånga ändringar över tiden. Genom att modulera laserpolarisationen mycket snabbt, forskarna kan ta mätningar pixel för pixel, i realtid.

Med det nya tillvägagångssättet, det tar mindre än en sekund att få information om lipidorientering i en stor bild som innehåller flera celler. Denna information används sedan för att konstruera en sekvens av "lipidordning" -bilder som visar molekylär orienteringsdynamik vid andra sekunders tidsskalor.

Mätning av enskilda membran

Forskarna visade att deras teknik kan avslöja deformation och lipidorganisation i artificiella lipidmembran som liknar myelinens packade membran. Tekniken var till och med känslig nog för att mäta organisationen av lipider runt röda blodkroppar, som bara har ett enda lipidmembran.

"Även om vi bara demonstrerade tekniken med modellmembran och enstaka celler, denna teknik kan översättas till biologisk vävnad, "sa Brasselet." Det kommer att visa oss hur molekyler beter sig, information som inte är tillgänglig från de mikrofoniska morfologiska bilder som tagits med traditionella mikroskopitekniker. "

Brasselet sa att den nya tekniken kan användas inom en snar framtid för att bättre förstå utvecklingen i sjukdomar som innebär en nedbrytning av myelinhöljet, såsom Alzheimers och multipel skleros. Till exempel, den kan användas för att avbilda neuroner i levande möss genom att kombinera Ramans spridningsteknik med befintliga metoder där små fönster implanteras i hjärnan och ryggmärgen hos försöksdjur.

"I sista hand, vi skulle vilja utveckla sammanhängande Raman -avbildning så att den kan användas i kroppen för att upptäcka sjukdomar i sina tidiga skeden, "sa armbandet." För att göra detta, tekniken måste anpassas för att arbeta med endoskop eller andra verktyg under utveckling som tillåter ljusbaserad avbildning inuti kroppen. "