La technique avancée de combinaison de rayon X facilite la recherche de tuberculose et d'ostéoporose

Avec une technique avancée de combinaison de rayon X, les scientifiques ont tracé des nanocarriers pour des médicaments de tuberculose dans des cellules avec la précision très haute. Les cartels de méthode deux mesures sophistiquées de rayon X de lecture et peuvent localiser des quantités minutieuses de métaux variés dans les échantillons biologiques très à de haute résolution, en équipe autour des états de Karolina Stachnik de scientifique de DESY dans les états scientifiques de tourillon. Pour illustrer sa souplesse d'utilisation, les chercheurs ont également employé la méthode de combinaison pour tracer la teneur en calcium dans l'os humain, une analyse qui peut bénéficier la recherche d'ostéoporose.

Les métaux jouent des fonctions clé dans de nombreux procédés biologiques, du transport de l'oxygène en nos hématies et de la minéralisation des os à l'accumulation nuisible de métaux en cellules nerveuses comme vu dans les maladies comme Alzheimer. »

Karolina Stachnik, scientifique, centre pour la Science CFEL de laser de Libre-Électron à DESY

Les rayons X de haute énergie effectuent des métaux s'allumer dans la fluorescence, une méthode qui est très sensible même aux montants minuscules. « Cependant, les mesures de fluorescence à rayons X habituellement ne montrent pas l'ultrastructure d'une cellule, par exemple, » dit le scientifique Alke Meents de DESY qui a abouti la recherche. « Si vous voulez localiser exact les métaux dans votre échantillon, vous devez combiner les mesures avec une technique d'imagerie. » L'ultrastructure comporte les petits groupes de la morphologie de cellules qui ne sont pas visibles sous un microscope optique.

Car les échantillons biologiques, tels que des cellules, sont très sensibles à la radiothérapie de rayon X, il est hautement avantageux à l'image leur structure simultanément à l'analyse de fluorescence. Pour cette raison, l'équipe a combiné les mesures de fluorescence avec une technique d'imagerie connue sous le nom de ptychography. « Un microscope ptychographic est assez assimilé à prendre une image de panorama, » explique Stachnik. « Un spécimen étendu comme une cellule biologique est trame balayée avec un petit faisceau de rayons X logique qui produit beaucoup d'images superposantes des parties de l'échantillon. Ces images superposantes sont alors piquées ensemble après. »

Les travaux appliqués de méthode sans aucune lentille entre l'échantillon et le détecteur, et par conséquent de soi-disant configurations de diffraction des rayons X sont enregistrés sur le détecteur. Chacune de ces configurations contient l'information sur la structure spatiale de la partie respective de l'échantillon, qui peut être prévu à partir de la configuration. « Ceci a finalement comme conséquence un plan entièrement quantitatif de densité optique du spécimen », explique Stachnik. « Par l'intermédiaire de ce procédé complexe, ptychography fournit des résolutions spatiales au delà des limites habituelles des blocs optiques de rayon X. »

Grâce à sa nature de lecture, ptychography peut être combinée avec l'acquisition simultanée des mesures de fluorescence à rayons X qui fournissent une seule empreinte digital des éléments de échantillon-constitution. De cette façon, une photo de la morphologie de l'échantillon obtenue par ptychography peut être recouverte avec un plan d'élément. « La combinaison en simultané de ces deux techniques d'imagerie complémentaires active pour cette raison des corrélations étrangères corps des oligoéléments avec la structure du spécimen hautement resolved, » récapitule Meents.

Un prérequis principal est que les rayons X sont d'une couleur unique seulement (monochromatique, toute ayant la même longueur d'onde) et qu'ils oscillent dans l'opération (logique) comme dedans un laser. « Les rayons X monochromatiques logiques suffisamment lumineux avec assez le haut d'énergies pour laisser des métaux comme le fer briller par fluorescence sont seulement devenus procurables aux sources lumineuses de synchrotron moderne comme PETRA III de DESY », dit Meents.

Pour vérifier la méthode, les chercheurs de DESY se sont associés au groupe d'Ulrich Schaible du centre de recherche Borstel pour vérifier la localisation et la concentration des nanocarriers pour des médicaments de tuberculose dans des macrophages, les cellules de Scavenger du système immunitaire. « Habituellement, les macrophages détruisent des agents pathogènes comme des virus et des bactéries. Malheureusement, les bactéries de tuberculose sont parvenues à éluder la destruction et se cacher à l'intérieur des macrophages au lieu, même au moyen de eux à se développer », dit Schaible. « Comme barrage pour le traitement efficace, les créneaux des bactéries dans des macrophages doivent être atteints par des antibiotiques pour être efficaces. »

Une stratégie neuve de « cheval de Troie » utilise les récipients de taille d'un nanomètre de fer pour livrer des antibiotiques directement dans les cellules. Ces récipients sont cavité, remplie des antibiotiques et de la mesure moins de 20 nanomètres de diamètre (un nanomètre est un millionième d'un mm). Les « macrophages avalent les récipients, et une fois qu'ils sont à l'intérieur de la cellule, les parois de fer des cages dissolvent lentement en raison du besoin des bactéries du fer. Éventuellement, les antibiotiques sont relâchés et détruisent les bactéries », explique Schaible.

Pour évaluer l'efficacité de cette stratégie, l'équipe a vérifié les macrophages qui avaient été alimentés des récipients de fer. Utilisant une étape de balayage particulièrement développée au beamline P11 de bio-représentation et de diffraction de PETRA III de source du rayon X de DESY, les chercheurs pourraient saisir des images ptychographic et de fluorescence de 14 cellules avec la définition sous-cellulaire et ont recensé un total de 22 agglomérats des nanocontainers dans eux.

Dans une deuxième application les chercheurs se sont associés au groupe de Björn Busse du centre médical Hambourg-Eppendorf (UKE) d'université et ont analysé la teneur en calcium dans un échantillon d'os humain. Le « calcium est un élément clé qui rend nos os intenses », explique le co-auteur Katharina Jähn du groupe de Busse. « Cependant, en période de la condition de teneur élevée en calcium, le fuselage la dissout des os à employer ailleurs. Ceux-ci et d'autres procédés relatifs à l'âge peuvent mener à l'ostéoporose, affectant presque un quart de toutes les femmes aux âges sur 50 ans en Allemagne. »

La recherche expérimentale sur la minéralisation osseuse est habituellement exécutée sur de petites parts d'os. « Cependant, seulement toute la teneur de calcium est habituellement tracée de cette façon, » dit Stachnik. « Obtenir une mesure vraie de la concentration en calcium, une doit rectifier pour l'épaisseur souvent variable de l'échantillon. » L'équipe avait l'habitude une image ptychographic simultanément obtenue pour éliminer la déformation de masse-épaisseur du plan de distribution de calcium. « Avec cette approche nous pouvions observer une teneur en calcium localement inférieure à certaines remarques dans l'os, qui aide à comprendre mieux que le procédé des troubles d'os et pour mesurer l'effet de la minéralisation osseuse change dans les patients », met l'accent sur Stachnik.

Pour améliorer la méthode encore autre, les chercheurs ont commencé à étendre l'analyse aux mesures en trois dimensions. « L'installation expérimentale actuel est étendue pour permettre l'acquisition des ensembles de données 3D-tomographic au beamline P11, » dit Meents. « Avec beaucoup de synchrotrons étant mis à jour pour produire encore des rayons X plus lumineux, nous nous attendons à ce que la méthode augmente le débit et devienne une application courante à ces installations. »

Le centre de recherche Borstel, le Paul Scherrer Institute en Suisse, l'Institut de Technologie de Karlsruhe, le centre médical Hambourg-Eppendorf d'université et DESY étaient impliqués dans cette recherche.

DESY est un de l'accélérateur de particules principal mondial centre et vérifie la structure et le fonctionnement de la question - de l'interaction des particules élémentaires minuscules et du comportement des nanomaterials nouveaux et des biomolécules indispensables aux mystères grands de l'univers. Les accélérateurs de particules et les détecteurs que DESY développe et établit à son emplacement à Hambourg et Zeuthen sont de seuls outils de recherches. Ils produisent de la radiothérapie de rayon X la plus forte dans le monde, accélèrent des particules pour enregistrer des énergies et pour ouvrir les hublots neufs sur l'univers. DESY est un membre de l'association de Helmholtz, la plus grande association scientifique de l'Allemagne, et reçoit son financement du ministère de l'éducation fédéral allemand et la recherche (BMBF) (90 pour cent) et des États fédéraux allemands de Hambourg et de Brandebourg (10 pour cent).

Source:
Journal reference:

Stachnik, K., et al. (2020) Multimodal X-ray imaging of nanocontainer-treated macrophages and calcium distribution in the perilacunar bone matrix. Scientific Reports. doi.org/10.1038/s41598-020-58318-7.