Bioluminiscenční zobrazování - Bioluminescence imaging - Wikipedia

Zobrazování upravených E. coli Nissle 1917 ve střevech myši

Bioluminiscenční zobrazování (BLI) je technologie vyvinutý za poslední desetiletí, který umožňuje neinvazivní studie probíhající biologické procesy. V poslední době je možná bioluminiscenční tomografie (BLT) a komerčně je k dispozici několik systémů. V roce 2011 získala společnost PerkinElmer od společnosti Caliper Life Sciences jednu z nejpopulárnějších řad optických zobrazovacích systémů s bioluminiscencí.[1]

Pozadí

Bioluminiscence je proces emise světla v bydlení organismy. Bioluminiscenční zobrazování využívá nativní emisi světla z jednoho z několika organismů, které bioluminiscenční. Tři hlavní zdroje jsou severoamerický světluška, mořská pansa (a související mořské organismy) a podobné bakterie Photorhabdus luminescens a Vibrio fischeri. The DNA kódující luminiscenční protein je zabudován do laboratorního zvířete buď prostřednictvím a virový vektor nebo vytvořením transgenní zvíře. Modely šíření rakoviny u hlodavců lze studovat pomocí bioluminiscenčního zobrazování. NapříkladMyší modely metastáz rakoviny prsu.

Systémy odvozené od výše uvedených tří skupin se liší v klíčových ohledech:

  • Luciferáza světlušek vyžaduje před zobrazením injekci D-luciferinu do subjektu. Špičková vlnová délka emise je přibližně 560 nm. Vzhledem k útlumu modrozeleného světla v tkáních je díky červenému posunu (ve srovnání s jinými systémy) této emise mnohem citlivější detekce luciferázy světlušek in vivo.
  • Renilla luciferáza (z Mořské pansy ) vyžaduje injekci také jeho substrátu, coelenterazinu. Na rozdíl od luciferinu má coelenterazin nižší biologickou dostupnost (pravděpodobně kvůli MDR1 její transport z buněk savců). Vlnová délka vrcholového vyzařování je navíc asi 480 nm.
  • Bakteriální luciferáza má výhodu v tom, že lux  operon použitý k jeho expresi také kóduje enzymy potřebné pro biosyntézu substrátu. Ačkoli se původně věřilo, že je funkční pouze v prokaryotický organismy, kde je široce používán pro vývoj bioluminiscenčních patogenů, byl geneticky upraven tak, aby fungoval také v expresních systémech savců.[2][3] Tento luciferáza reakce má maximální vlnovou délku přibližně 490 nm.

I když je celkové množství světla vyzařovaného z bioluminiscence obvykle malé a lidské oko jej nezjistí, ultracitlivý CCD kamera dokáže zobrazit bioluminiscenci z vnějšího výhodného bodu.

Aplikace

Mezi běžné aplikace BLI patří in vivo studie infekce[4] (s bioluminiscenčními patogeny), progrese rakoviny (pomocí bioluminiscenční rakovinové buněčné linie) a kinetika rekonstituce (pomocí bioluminiscenční kmenové buňky ).[5]

Vědci z UT Southwestern Medical Center prokázali, že bioluminiscenční zobrazování lze použít ke stanovení účinnosti léků proti rakovině, které dusí přívod krve do nádoru. Tato technika vyžaduje přidání luciferinu do krevního oběhu, který jej přenáší do buněk v celém těle. Když luciferin dosáhne buněk, které byly změněny tak, aby nesly gen světlušky, tyto buňky emitují světlo.[6]

BLT inverzní problém 3D rekonstrukce distribuce bioluminiscenčních molekul z dat měřených na povrchu zvířete je ze své podstaty špatně představovaný. První studii na malých zvířatech využívající BLT provedli vědci na University of Southern California, Los Angeles, USA v roce 2005. Po tomto vývoji mnoho výzkumných skupin v USA a Číně vytvořilo systémy, které umožňují BLT.

K rostlinám hořčice byl přidán gen, který způsobuje, že ocasy světlušek září, takže rostliny při dotyku září. Efekt trvá hodinu, ale ke zjištění záře je nutná mimořádně citlivá kamera.[7]

Autoluminograf

An autoluminograf je fotografie vyrobeno umístěním a světlo vyzařující předmět přímo na kousek film. Slavným příkladem je autoluminograf publikovaný v Věda časopis v roce 1986[8] zářící transgenní tabáková rostlina nesoucí luciferáza gen světlušek umístěných na filmu Kodak Ektachrome 200.

Indukované zobrazování metabolické bioluminiscence

Indukované metabolické bioluminiscenční zobrazování (imBI) se používá k získání metabolického snímku biologických tkání.[9] Metabolity, které lze kvantifikovat pomocí imBI, zahrnují glukózu, laktát, pyruvát, ATP, glukóza-6-fosfát nebo D2-hydroxygluturát.[10] imBI lze použít k určení laktát koncentrace nádory nebo měřit metabolismus mozku.[10][9]

Reference

  1. ^ "PerkinElmer získá Caliper Life Sciences za 600 milionů USD v hotovosti | Hlavní novinky GEN | GEN". GEN. Citováno 2016-06-10.
  2. ^ Zavřít, Dan M .; Patterson, Stacey S .; Ripp, Steven; Baek, Seung J .; Sanseverino, John; Sayler, Gary S. (2010). Pan, Xiaoping (ed.). "Autonomní bioluminiscenční exprese bakteriální luciferázové genové kazety (lux) v buněčné linii savců". PLOS ONE. 5 (8): e12441. Bibcode:2010PLoSO ... 512441C. doi:10.1371 / journal.pone.0012441. PMC  2929204. PMID  20805991.
  3. ^ Zavřít, Dan M .; Hahn, Ruth E .; Patterson, Stacey S .; Baek, Seung J .; Ripp, Steven A .; Sayler, Gary S. (2011). „Srovnání lidské optimalizované bakteriální luciferázy, luciferázy světlušky a zeleného fluorescenčního proteinu pro kontinuální zobrazování buněčné kultury a zvířecích modelů“. Journal of Biomedical Optics. 16 (4): 047003–047003–10. Bibcode:2011JBO .... 16d7003C. doi:10.1117/1.3564910. PMC  3094131. PMID  21529093.
  4. ^ Xiong, Yan Q .; Willard, Julie; Kadurugamuwa, Jagath L .; Yu, červen; Francis, Kevin P .; Bayer, Arnold S. (2004). "Bioluminiscenční zobrazování v reálném čase pro hodnocení účinnosti antibiotik u modelu endokarditidy Staphylococcus aureus u krys". Antimikrobiální látky a chemoterapie. 49 (1): 380–7. doi:10.1128 / AAC.49.1.380-387.2005. PMC  538900. PMID  15616318.
  5. ^ Di Rocco, Giuliana; Gentile, Antonietta; Antonini, Annalisa; Truffa, Silvia; Piaggio, Giulia; Capogrossi, Maurizio C .; Toietta, Gabriele (1. září 2012). „Analýza biodistribuce a štěpu do jater geneticky modifikovaných mezenchymálních stromálních buněk pocházejících z tukové tkáně“ (PDF). Transplantace buněk. 21 (9): 1997–2008. doi:10.3727 / 096368911X637452. PMID  22469297. S2CID  21603693.
  6. ^ Zhao, Dawen; Bohatší, Edmond; Antich, Peter P .; Mason, Ralph P. (2008). „Antivaskulární účinky fosfátu combretastatinu A4 na xenograft karcinomu prsu hodnoceny pomocí dynamického bioluminiscenčního zobrazování a potvrzeny pomocí MRI“. FASEB Journal. 22 (7): 2445–51. doi:10.1096 / fj.07-103713. PMC  4426986. PMID  18263704. Shrnutí ležel – Newswise (29. května 2008).
  7. ^ Dr. Chris Riley, „Zářící rostliny odhalují citlivost na dotek“, BBC 17. května 2000.
  8. ^ Ow, D.W .; Wood, K.V .; DeLuca, M .; de Wet, J. R.; Helinski, D.R. & Howell, S.H. (1986). „Přechodná a stabilní exprese genu luciferázy světlušky v rostlinných buňkách a transgenních rostlinách“. Věda. 234 (4778). Americká asociace pro rozvoj vědy. str. 856. ISSN  0036-8075.
  9. ^ A b Walenta, Stefan; Voelxen, Nadine F .; Sattler, Ulrike G. A .; Mueller-Klieser, Wolfgang (2014). „Lokalizace a kvantifikace metabolitů in situ pomocí luminometrie: Indukované zobrazování metabolické bioluminiscence (ImBI)“. Metabolismus mozkové energie. Neurometody. 90. str. 195–216. doi:10.1007/978-1-4939-1059-5_9. ISBN  978-1-4939-1058-8.
  10. ^ A b Parks, Scott K .; Mueller-Klieser, Wolfgang; Pouysségur, Jacques (2020). „Laktát a kyselost v mikroprostředí rakoviny“. Každoroční přehled biologie rakoviny. 4: 141–158. doi:10.1146 / annurev-cancerbio-030419-033556.

Další čtení