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Aperçus neufs de métabolisme de cellule du cerveau d'ANIMAL FAMILIER et d'IRMs

En découvrant une pièce essentielle d'informations sous-microscopiques sur la façon dont le cerveau convertit l'essence en énergie pour des neurones, les biophysiciens d'Université de Cornell ont glané des analyses neuves dans le métabolisme de cellule du cerveau qui permettra à des neurologues d'interpréter mieux des caractéristiques de tels tests diagnostique que les échographies de tomographie (PET) d'émission de positons et une imagerie par résonance magnétique spécialisée (MRI) vérifient.

La découverte découvre une information principale qui est été manquant pendant des années au sujet de métabolisme de cellules -- comment le dinucléotide composé d'adénine de bêta-nicotinamide (NADH) agit l'un sur l'autre dans les mitochondries. Les chercheurs ont découvert que quelques molécules de nadh sont liées à d'autres molécules dans les mitochondries, alors que certains sont libres dans deux conformations différentes. Si le nadh est des affects attachés ou libres combien il produit par fluorescence dans les tests diagnostique -- et ne pas connaître ceci a abouti des scientifiques dans le passé à méjuger la quantité d'activité en cellules neurales.

Les découvertes, publiées comme papier de la semaine dans l'édition du 1er juillet du tourillon de la biochimie (vol. 280), sont basées sur la recherche dans le laboratoire de biophysique dirigé par watt W. Webb, S.B. Eckert professeur dans le bureau d'études chez Cornell. L'illustration du panneau du tourillon a été conçue par Webb avec des images de son laboratoire de biophysique par Karl Kasischke, Harshad Vishwasrao et Dan Dombeck.

Vishwasrao, l'auteur important de l'étudiant de troisième cycle de papier et ancien de Webb, pouvait différencier entre la limite et les deux formes des conditions libres des molécules de nadh basées sur le régime que les molécules tournent, ou ne tourne pas, au-dessus des nanosecondes de temps. Il a employé une technique développée par Ahmed Heikal (maintenant d'université de l'Etat de Pennsylvanie) dans le laboratoire de Webb.

La concentration de nadh a été employée comme indicateur pour le métabolisme de cellules pendant environ 50 années, mais des niveaux nuisibles du rayonnement ultraviolet ont été exigés pour induire la fluorescence requise pour les mesures. Webb et ses collègues, cependant, ont conçu une technique il y a plusieurs années où cela emploie sous peu, pouls forts de laser d'infrared inoffensif au lieu de rayonnement ultraviolet. La technique, microscopie de lecture appelée de laser de multiphoton (MPLSM), a permis à l'équipe de Vishwasrao de mesurer des niveaux de nadh en cellules avec les niveaux réglés de la saturation de l'oxygène sans endommager les cellules. Et à la différence d'autres méthodes, telles que l'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle dépendante de niveau d'ANIMAL FAMILIER et d'oxygène de sang (Grasse-fMRI), MPLSM peut simultanément montrer comment l'orientation des molécules de nadh change (en mesurant leur anisotropie) dans des fractions d'une nanoseconde.

Les résultats, ont indiqué Vishwasrao, maintenant un boursier post-doctoral à l'Université de Columbia, indiquent que les molécules non liées de nadh tournent beaucoup plus rapidement -- et détruisez pour cette raison leur fluorescence plus rapidement -- que bondissent les molécules de nadh.

« Une molécule attachée de nadh est environ aussi lumineuse que 10 ceux libres, » a dit Vishwasrao. « Quand nous avons obtenu la première fois la preuve qu'il y avait de nadh libre, nous avons pensé que nous avons effectué une erreur importante. Nous avons pensé que nous étions fous. Nous avons retourné, et plus nous parlions de elle, et plus les expériences que nous avons faites, il sont devenues claires. D'autres groupes voyaient la même chose. »

Quand l'équipe avait l'habitude les caractéristiques pour prévoir la proportion de molécules sans limite de nadh dans une partie de tissu, elles ont constaté que leurs calculs ont résolu les incohérences qui avaient préoccupé des chercheurs pendant des années. « L'effet est assez grand pour représenter les problèmes fréquemment vus, » a dit Webb.

Le nadh est un bon indice d'activité de cellules pour plusieurs raisons. D'abord, la molécule est omniprésente dans les mitochondries, où le métabolisme oxydant a lieu. Elle brille par fluorescence également naturellement, que des moyens il peuvent être trouvé sans ajouter les traceurs artificiels ou les teintures. Et parce que le nadh est converti dans le procédé métabolique en NAD+ non fluorescent, les chercheurs peuvent mesurer combien d'oxydation se produit dans une cellule basée sur sa fluorescence.

Avec cette information neuve, Vishwasrao a dit, les scientifiques et les médecins qui étudient les effets de la rappe, la maladie d'Alzheimer et d'autres lésions cérébrales et pathologies seront mieux équipés pour interpréter des caractéristiques quantitatives des techniques diagnostiques qu'ils avaient employées -- sans comprendre entièrement -- pendant des années.

« Le rôle de la représentation de multiphoton et de la spectroscopie du nadh n'est pas de remonter d'autres techniques d'imagerie, » il a dit, « mais fournir plutôt un cadre microscopique plus détaillé de dynamique métabolique de cerveau dans lequel les techniques macroscopiques, telles que Gras-fMRI, ANIMAL FAMILIER et lecture optique, peuvent interpréter leurs signes trouvés respectifs. »

Le laboratoire de Webb, le moyen de développement pour l'optoélectronique biophysique de représentation (DRBIO), a fourni d'autres améliorations significatif récent. L'année dernière, Kasischke, ancien de Cornell et maintenant d'un résidant en neurologie en Allemagne, a employé MPLSM pour taquiner à part les fonctionnements métaboliques des neurones (cellules nerveuses) et des astrocytes (les cellules en forme d'étoile qui fournissent à des neurones l'essence). Le papier de Kasischke a rempli pièce importante du puzzle métabolique en prouvant que les cellules du cerveau ont des rôles distincts dans le procédé métabolique. Son équipe (qui Vishwasrao inclus et Webb) a constaté que les neurones emploient l'oxygène pour convertir l'hydrate de carbone en énergie (une oxydation appelée de processus) et que les astrocytes donnent un coup de pied dedans par la suite à l'essence de lactate de produit (une glycolyse appelée de processus). Ceci a confirmé un fonctionnement controversé basé sur l'hypothèse connue sous le nom de navette de lactate d'astrocyte-neurone, et la conclusion a aidé des chercheurs à comprendre mieux comment les travaux par processus métaboliques à un niveau microscopique.

Le papier actuel de Vishwasrao Co-est écrit par Kasischke, Webb et Heikal.