Forskare vid EPFL har använt en ny bildteknik för att övervaka hur glukos, vår huvudsakliga energikälla, används i kroppen. Deras resultat kan ha stora konsekvenser för sjukdomar som diabetes.

Glukos är viktigt för produktionen av energi i våra kroppar, och dess nivå i blodet måste upprätthållas noggrant, särskilt i känsliga organ som hjärnan. I våra celler, glukos lagras i en molekyl som kallas glykogen. Men trots vikten av glykogen vid sjukdomar som diabetes och hypoglykemi, dess fördelning och metabolism i kroppen har förblivit svårfångade. Med hjälp av en ny avbildningsteknik kallad NanoSIMS – som tidigare användes till exempel på meteoritprover – har forskare vid EPFL kunnat spåra hur glykogen används i leverns och hjärnans celler. Deras arbete publiceras i Nanomedicin .

Förstå hur celler lagras, distribuera och metabolisera glykogen är centralt för behandlingen av associerade sjukdomar som diabetes och hypoglykemi, båda kännetecknas av en minskad nedbrytning av glykogen, vilket resulterar i att mindre glukos frigörs i blodet och efterföljande energiförlust. Glykogenutarmning orsakar också ett vanligt fenomen som kallas "slå mot väggen" hos långdistansidrottare som maratonlöpare, längdskidåkare, och cyklister.

Trots att det är av central betydelse för att våra kroppar ska fungera korrekt, fördelningen av glykogen över tiden är fortfarande oklar. En av anledningarna är att den vanliga bildtekniken som används för att spåra den, magnetisk resonanstomografi eller MRI, har inte den nödvändiga känsligheten för att uppnå den erforderliga rumsliga upplösningen för att avbilda glykogen inuti enskilda celler.

Leds av Arnaud Comment och Anders Meibom på EPFL, i ett samarbete som inkluderar kollegor från EPFL och UNIL, forskarna har använt en ny bildteknologi för att framgångsrikt spåra utvecklingen av glykogen i levern och hjärnan hos möss över tid. NanoSIMS (SIMS står för Secondary Ion Mass Spectrometry) är en jonmikrosond som bombarderar ett fast prov med en stråle av "tunga" partiklar, såsom cesiumatomer. Bombardementet tvingar joner från provet att kastas ut, och de identifieras sedan med en masspektrometer. Avläsningen från individuella joner används sedan för att identifiera de kemiska komponenterna i provet.

NanoSIMS kan överträffa upplösningen hos konventionella MRI-system, eftersom den kan skanna ett prov med ultrahög rumslig upplösning på 100 nanometer (cirka 1/100 av en cells längd). Detta innebär att NanoSIMS kan spåra molekyler inuti en cell, något som Comment och hans kollegor utnyttjade. "Frågan var, kan vi faktiskt upptäcka var glukos omvandlas till glykogen? "säger Comment." Så ett av våra mål var att se hur glykogen fördelas över tiden i leverceller och i hjärnan, och även för att bestämma den hastighet med vilken glukos införlivas i glykogen i dessa celler. "

Forskarna använde NanoSIMS på lever- och hjärnvävnadsprover, som tidigare hade berikats med en typ av glukos som kan spåras i bildbehandling. Dock, NanoSIMs bilder visas som färger och linjer, och är inte tillräckliga för att lokalisera molekyler i en cell. Av denna anledning, proverna fotograferades också med ett elektronmikroskop, vilket gav en verklig bild av vävnaden och cellerna. Teamet lade sedan NanoSIMS-bilden över det riktiga fotografiet från elektronmikroskopet, och kunde då få en fullständig bild av glykogenfördelningen i lever- och hjärnceller.

Med denna metod vid olika tidsintervaller, forskarna kunde spåra hur glykogen bildas över tid, och i vilka delar av cellerna. Deras resultat visade att leverceller lagrar glukos i glykogen nästan 25 gånger snabbare än hjärnceller (astrocyter). "Det här är första gången som detta fenomen mäts i så liten skala, " säger kommentar.

Metoden kan användas för att spåra andra biologiska molekyler, såsom signalsubstanser i hjärnan. Detta är något som Comments team planerar att göra härnäst, som syftar till att använda deras nya tillvägagångssätt för att uppnå högupplöst avbildning av hur signalmolekyler distribueras och metaboliseras i olika delar av hjärnan. Teamet arbetar också med att förbättra precisionen och noggrannheten för detektion genom att kombinera det med fluorescensavbildning.