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Nuove visioni del metabolismo della cellula cerebrale dalle scansioni di MRI e dell'ANIMALE DOMESTICO

Scoprendo un pezzo cruciale di informazioni submicroscopiche su come il cervello converte il combustibile in energia per i neuroni, i biofisici di Cornell University hanno spigolato le nuove comprensioni nel metabolismo della cellula cerebrale che permetterà che i neurologi interpretino meglio i dati da tali test diagnostici come la tomografia a emissione di positroni (PET) scandisce e da una prova specializzata (MRI) di imaging a risonanza magnetica.

La scoperta scopre informazione chiave che è mancato per anni circa il metabolismo delle cellule -- come il dinucleotide composto dell'adenina della beta-nicotinammide (NADH) interagisce nei mitocondri. I ricercatori hanno scoperto che alcune molecole del NADH sono limitate ad altre molecole nei mitocondri, mentre alcune sono libere in due conformazioni differenti. Se il NADH è influenze rilegate o libere quanto è flourescente nei test diagnostici -- e non conoscere questo piombo gli scienziati nel passato giudicare male la quantità di attività in celle neurali.

I risultati, pubblicati come il documento della settimana nell'edizione del 1° luglio del giornale della biochimica (volume 280), sono basati sulla ricerca nel laboratorio della biofisica diretto dal watt W. Webb, lo S.B. Eckert professore nell'assistenza tecnica a Cornell. L'illustrazione del coperchio del giornale è stata progettata dal Webb con le immagini dal suo laboratorio della biofisica da Karl Kasischke, da Harshad Vishwasrao e da Dan Dombeck.

Vishwasrao, l'autore principale di un dottorando di carta ed ex di Webb, poteva differenziarsi fra il limite ed i due moduli degli stati liberi delle molecole del NADH basate sulla tariffa che le molecole girano, o non gira, durante i nanosecondi di tempo. Ha utilizzato una tecnica sviluppata da Ahmed Heikal (ora della Pennsylvania State University) nel laboratorio di Webb.

La concentrazione del NADH è stata usata come indicatore per il metabolismo delle cellule per circa 50 anni, ma i livelli nocivi di radiazione ultravioletta sono stati richiesti per indurre la fluorescenza stata necessaria per le misure. Il Webb ed i suoi colleghi, tuttavia, hanno inventato una tecnica parecchi anni fa che quello usa bruscamente, impulsi intensi del laser di infrarosso inoffensivo invece di radiazione ultravioletta. La tecnica, chiamata microscopia di scansione del laser del multi-fotone (MPLSM), conceduta il gruppo di Vishwasrao per misurare i livelli del NADH in celle con i livelli controllati di saturazione dell'ossigeno senza danneggiare le celle. Ed a differenza di altri metodi, quale imaging a risonanza magnetica funzionale dipendente del livello dell'ossigeno di sangue e dell'ANIMALE DOMESTICO (Stampato in neretto-fMRI), MPLSM può mostrare simultaneamente come l'orientamento delle molecole del NADH cambia (misurando la loro anisotropia) all'interno delle frazioni di un nanosecondo.

I risultati, hanno detto Vishwasrao, ora un collega postdottorale alla Columbia University, indicano che le molecole non legate del NADH girano molto più rapidamente -- e quindi perda più rapidamente la loro fluorescenza -- delle molecole del NADH.

“Una molecola rilegata del NADH è circa luminosa quanto 10 un libere,„ ha detto Vishwasrao. “Quando in primo luogo abbiamo ottenuto la prova che c'era NADH libero, abbiamo pensato che facessimo un grande errore. Abbiamo pensato che fossimo pazzi. Siamo ritornato e di più lo parlassimo e più gli esperimenti che abbiamo fatto, sono diventato chiari. Altri gruppi stavano vedendo la stessa cosa.„

Quando il gruppo ha usato i dati per calcolare la proporzione di molecole senza limite del NADH in una sezione del tessuto, hanno trovato che le loro contraddizioni risolte di calcoli che avevano disturbato i ricercatori per anni. “L'effetto è abbastanza grande rappresentare i problemi frequentemente veduti,„ ha detto il Webb.

Il NADH è un buon indicatore di attività delle cellule per parecchie ragioni. In primo luogo, la molecola è onnipresenta nei mitocondri, in cui il metabolismo ossidativo ha luogo. Egualmente è flourescente naturalmente, che i mezzi possono essere individuati senza aggiungere gli elementi traccianti o le tinture artificiali. E perché il NADH è convertito nel trattamento metabolico in NAD+ non fluorescente, i ricercatori possono misurare la quanta ossidazione sta presentandosi in una cella basata sulla sua fluorescenza.

Con questi nuove informazioni, Vishwasrao ha detto, gli scienziati ed i medici che studiano gli effetti del colpo, morbo di Alzheimer ed altri traumi cranici e patologie saranno più ben attrezzati interpretare i dati quantitativi dalle tecniche che diagnostiche stanno usando -- senza completamente capire -- per anni.

“Il ruolo della rappresentazione del multi-fotone e della spettroscopia del NADH non è di sostituire altre tecniche di rappresentazione,„ ha detto, “ma piuttosto fornire una struttura microscopica più dettagliata della dinamica metabolica del cervello all'interno di cui le tecniche macroscopiche, come Stampato in neretto-fMRI, ANIMALE DOMESTICO e lettura ottica, possono interpretare i loro rispettivi segnali individuati.„

Il laboratorio di Webb, la risorsa inerente allo sviluppo per l'optoelettronica biofisica della rappresentazione (DRBIO), ha reso recentemente altri avanzamenti significativi. L'anno scorso, Kasischke, precedentemente di Cornell ed ora di un residente in neurologia in Germania, ha usato MPLSM per prendere in giro a parte le funzioni metaboliche dei neuroni (cellule nervose) e dei astrocytes (celle a forma di stella che forniscono ai neuroni combustibile). La relazione di Kasischke ha riempito un pezzo importante del puzzle metabolico indicando che le cellule cerebrali hanno ruoli distinti nel trattamento metabolico. Il suo gruppo (che Vishwasrao incluso e Webb) ha trovato che ossigeno di uso dei neuroni per convertire il carboidrato in energia (un trattamento chiamato ossidazione) e che i astrocytes danno dei calci a dentro successivamente al combustibile del lattato dei prodotti (un trattamento chiamato glicolisi). Ciò ha confermato una funzione discutibile basata sull'ipotesi conosciuta come la navetta del lattato del astrocyte-neurone e l'individuazione ha aiutato i ricercatori a capire meglio come gli impianti trattati metabolici ad un livello microscopico.

Il documento corrente di Vishwasrao co-è creato da Kasischke, Webb e da Heikal.