Om du är en forskare som vill se hur bara några celler i en organism beter sig, det är ingen enkel uppgift. Människokroppen innehåller cirka 37 biljoner celler; fruktflugan som flitar runt de övermogna bananerna på disken kan ha 50, 000 celler. Även Caenorhabditis elegans, en liten mask som vanligtvis används i biologisk forskning, kan ha så många som 3, 000 celler. Så, hur övervakar du ett par mikroskopiska fläckar mitt i allt detta?

Forskare som arbetar i Caltech -labbet av Mikhail G. Shapiro, professor i kemiteknik och Heritage Medical Research Institute Investigator, har hittat ett sätt.

Den nya tekniken använder sig av så kallade akustiska reportergener, varav Shapiro har varit en banbrytande utvecklare. För att förstå akustiska reportergener, först vet att reportergener är en specialiserad bit av DNA som forskare kan infoga i en organisms genom för att hjälpa dem att förstå vad den gör. Historiskt sett reportergener har kodat fluorescerande proteiner. Till exempel, om en forskare sätter in en av dessa reportergener bredvid en gen som de vill studera - säg, genen som är ansvarig för utvecklingen av neuroner - aktiveringen av dessa neurongener kommer också att producera fluorescerande proteinmolekyler. När den rätta typen av ljus lyser på dessa celler, de kommer att lysa upp, ungefär som hur en highlighter kan markera en specifik passage i en bok.

Dessa fluorescerande reportergener har dock en stor nackdel:ljus tränger inte särskilt långt in i levande vävnader.

Så, Shapiro har utvecklat reportergener som använder ljud istället för ljus. Dessa gener, när den sätts in i cellens genom, få det att producera mikroskopiska ihåliga proteinstrukturer som kallas gasvesiklar. Dessa blåsor finns normalt i vissa bakteriearter som använder dem för att hålla sig flytande i vatten, men de har också den användbara egenskapen att "ringa" när de träffas av ultraljudsvågor.

Tanken är att när en cell som producerar dessa vesiklar avbildas med ultraljud, den kommer att skicka ut en akustisk signal som meddelar sin närvaro, låta forskare se var det är och vad det gör. Denna teknik har använts för att visa aktiviteten hos enzymer i celler i tidigare arbete av Shapiros laboratorium.

I deras senaste tidning, forskargruppen beskriver hur den har ökat känsligheten hos den tekniken så mycket att den nu kan avbilda en enda cell, finns i kroppsvävnaden, som bär en akustisk reportergen.

"I jämförelse med tidigare arbete med gasblåsor, detta papper gör att vi kan se mycket mindre mängder av dessa gasvesiklar, "säger Daniel Sawyer (PhD '21), huvudförfattare och tidigare bioingenjör doktorand i Shapiros lab. "Det här är som att gå från en satellit som kan se lamporna i en liten stad till en som kan se ljuset från en enda lyktstolpe."

Deras förbättringar representerar en ökning med mer än 1000-faldig känslighet jämfört med den tidigare tekniken de hade använt för bildceller som bär de akustiska reportergenerna. Skillnaden ligger i ultraljudet de använder och hur gasblåsorna reagerar på det.

Medan den tidigare bildtekniken förlitade sig på att vesiklarna ringde som en klocka som har slagits, den nya tekniken använder starkare ultraljud som "poppar" blåsorna som en ballong.

"Blåsorna producerar en mycket stark signal i det ögonblicket, ”Säger Shapiro.” Då går blåsorna sönder och slutar att signalera. Vi letar efter den lilla blippen. "

Den blippen är så tydlig att den lätt kan upptäckas av forskarna, även mitt i allt bakgrundsbrus som produceras av ultraljud som tränger igenom vävnad. Shapiro säger att det senaste arbetet med konstruerade stammar av injicerbara bakterier som angriper cancerceller, eller "tumörhemande" bakterier, skapar ett behov av bättre sätt att spåra dessa celler för att se var i kroppen de landar. Forskarna visade att när bakterierna också konstruerades för att bära gas-vesikelgenen, det var möjligt att spåra enskilda bakterieceller när de kom in och färdades genom levern efter att ha injicerats i blodomloppet.

Sawyer säger att denna känslighetsnivå är nödvändig om forskare vill använda ultraljud för att studera tarmmikrobiomets sammansättning, som, vid störningar, kan påverka tillstånd som Alzheimers sjukdom och autism.

"Det finns så många bakteriearter i tarmen, och vissa är så sällsynta att du behöver något känsligt nog för att se bara några få djupt inne i kroppen, " han säger.

Skadar blåsorna inuti cellerna cellerna? Nej, inte riktigt.

"Det korta svaret är nej, och det långa svaret är nej i de flesta praktiska fall, "Sawyer säger." Det finns vissa fall där enskilda bakterieceller som är mycket små och har en mycket stor mängd av dessa gasvesiklar skadas, men det gör ingen större skillnad för bakteriepopulationen om några av dem blir mindre livskraftiga. Och i däggdjursceller, vi såg ingen negativ effekt. "

Shapiro och Sawyer går två vägar för sin forskning framöver. En väg kommer att bygga vidare på vad forskarna redan har utvecklat för att skapa mer avancerade bildtekniker. Det kommer att innebära konstruktion och testning av nya typer av vesiklar som har olika egenskaper, såsom vesiklar som lättare dyker upp, eller vesiklar som är mer robusta, eller mindre blåsor som kan passa in på platser som större blåsor inte kan. Den andra vägen är att hitta praktiska tillämpningar för den teknik de har utvecklat, Sawyer säger.

"I fältet för optisk mikroskopi, det fanns denna samutveckling av optiska sonder och mikroskopimetoder med tekniker som tvåfotonmikroskopi och ljusarkmikroskopi [båda är typer av fluorescerande mikroskopi], "Säger Shapiro." Danny's paper är en del av utvecklingen av ultraljudsanalogen för dessa bildtekniker. "

Detaljer om processen publicerades i Naturmetoder .