Ученые разработали новаторскую технику, которая объединяет микроскопию расширения с масс-спектрометрической визуализацией, позволяя наблюдать сотни биомолекул в неповрежденных тканях с разрешением на уровне отдельных клеток.
Это открытие может радикально изменить наше понимание биологических процессов, таких как старение и болезни, раскрывая молекулярную структуру тканей. Метод не требует специализированного оборудования и прост в освоении, что открывает новые возможности для лабораторий по всему миру.
Проблемы визуализации молекул
Для биологов наблюдение — ключ к пониманию, но это не всегда просто.
Основная проблема заключается в визуализации всех различных молекул в неповрежденном образце ткани, вплоть до отдельных клеток. Возможность точно определить местоположение сотен или даже тысяч биомолекул, таких как липиды, белки и метаболиты, в их естественной среде помогает исследователям изучать, как эти молекулы функционируют и взаимодействуют. Однако существующие инструменты не обеспечивают такого всестороннего обзора.
Стандартные методы визуализации, такие как различные виды микроскопии, позволяют ученым заглянуть внутрь клеток, но они ограничены отслеживанием лишь нескольких конкретных молекул одновременно. Некоторые биомолекулы, особенно определенные липиды, сложно обнаружить с помощью этих техник. С другой стороны, традиционная масс-спектрометрия может выявить широкий спектр молекул, но для этого требуется разрушение ткани, что делает невозможным изучение их пространственного расположения.
Знакомство с масс-спектрометрической визуализацией
Масс-спектрометрическая визуализация предлагает частичное решение. Она позволяет исследователям одновременно наблюдать множество различных биомолекул в неповрежденных образцах тканей. Однако ее разрешение недостаточно для различения молекулярных деталей на уровне отдельных клеток.
С этой проблемой столкнулась Мэн Ван, старший руководитель группы в Janelia. Ее команда изучает биологические механизмы, управляющие старением и долголетием, и им нужен был способ наблюдать широкий спектр биомолекул в целых тканях, чтобы понять, как эти компоненты изменяются со временем.
«Знание того, какие молекулы находятся в каждом конкретном месте и что содержится в соседних клетках, чрезвычайно важно для любого биологического вопроса», — объясняет Ван.
Микроскопия расширения как революционное решение
К счастью, лаборатория Ван находится по соседству с лабораторией главного научного сотрудника Janelia Пола Тиллберга. Тиллберг, будучи аспирантом MIT, стал соавтором техники, известной как микроскопия расширения. Этот метод использует расширяемый гидрогель, чтобы равномерно увеличивать образцы во всех направлениях, позволяя выявлять тонкие детали, такие как структуры суборганелл, с помощью обычного микроскопа.
Спустя десять лет процесс расширения начал применяться к другим методам, помимо традиционной микроскопии. Ван, Тиллберг и их коллеги из Janelia и Университета Висконсин-Мэдисон решили проверить, можно ли использовать расширение для преодоления проблемы пространственного разрешения в масс-спектрометрической визуализации.
Наблюдение молекул с разрешением на уровне отдельных клеток
В результате был создан новый метод, который позволяет постепенно расширять образцы тканей, не разрушая их на молекулярном уровне, как это происходит в оригинальном процессе расширения. Расширяя неповрежденные образцы во всех направлениях, исследователи могут использовать масс-спектрометрическую визуализацию для одновременного обнаружения сотен молекул на уровне отдельных клеток в их естественном расположении.
«Это позволяет проводить нетаргетированное исследование в молекулярном пространстве, и мы стараемся приблизить его к тому, что может делать микроскопия в плане пространственного разрешения», — говорит Тиллберг.
Картирование молекулярных сигнатур в мозге
Команда применила новую технику для определения специфических пространственных узоров малых молекул в различных слоях мозжечка. Они обнаружили, что эти молекулы — включая липиды, пептиды, белки, метаболиты и гликаны — не распределены равномерно, как считалось ранее. Более того, они установили, что каждый конкретный слой мозжечка имеет свою уникальную сигнатуру липидов, метаболитов и белков.
Команда также смогла обнаружить биомолекулы в тканях почек, поджелудочной железы и опухолей, продемонстрировав, что метод может быть адаптирован для множества различных типов тканей. В опухолевых тканях они смогли визуализировать значительные вариации биомолекул, что может быть полезно для понимания молекулярных механизмов опухолей и, возможно, помочь в разработке лекарств.
«Когда вы можете видеть эти биомолекулы, вы начинаете понимать, почему они имеют такие узоры и как это связано с их функцией», — говорит Ван. Она считает, что новая технология позволит исследователям отслеживать эти узоры во время развития, старения и болезней, чтобы понять, как различные молекулы способствуют этим процессам.
Широкая доступность и будущий потенциал
Поскольку новый метод не требует добавления оборудования к существующим системам масс-спектрометрической визуализации, а техника расширения относительно проста в освоении, команда надеется, что он будет использоваться многими лабораториями по всему миру. Они также рассчитывают, что новая техника сделает масс-спектрометрическую визуализацию более полезным инструментом для биологов, и предоставили подробное описание метода и план его адаптации для других типов тканей.
«Мы хотели разработать нечто, что не требует специализированных инструментов или процедур, но может быть широко внедрено», — говорит Ван.