La tecnica avanzata di combinazione dei raggi x aiuta la ricerca di osteoporosi e della tubercolosi

Con una tecnica avanzata di combinazione dei raggi x, gli scienziati hanno rintracciato i nanocarriers per le droghe della tubercolosi all'interno delle celle con molto alta precisione. Le associazioni due di metodo hanno sofisticato le misure dei raggi x di scansione e possono individuare gli importi minuscoli di vari metalli in campioni biologici a molto di alta risoluzione, in gruppo intorno ai rapporti di Karolina Stachnik dello scienziato di DESY nei rapporti scientifici del giornale. Per illustrare la sua versatilità, i ricercatori egualmente hanno usato il metodo di combinazione per mappare il contenuto in osso umano, un'analisi del calcio che può avvantaggiare la ricerca di osteoporosi.

I metalli svolgono i ruoli chiave nei numerosi trattamenti biologici, dal trasporto dell'ossigeno in nostri globuli rossi e dalla mineralizzazione delle ossa alla capitalizzazione nociva dei metalli in cellule nervose come si vede nelle malattie come Alzheimer.„

Karolina Stachnik, scienziato, centro per scienza CFEL del laser a elettroni liberi a DESY

I raggi x ad alta energia fanno i metalli illuminarsi nella fluorescenza, un metodo che è molto sensibile anche agli importi minuscoli. “Tuttavia, le misure di fluorescenza a raggi X non mostrano solitamente l'ultrastruttura di una cella, per esempio,„ dice lo scienziato Alke Meents di DESY che piombo la ricerca. “Se volete individuare esattamente i metalli all'interno del vostro campione, dovete combinare le misure con una tecnica di rappresentazione.„ L'ultrastruttura comprende i dettagli la morfologia delle cellule che non sono visibili sotto un microscopio ottico.

Poichè i campioni biologici, quali le celle, sono molto sensibili a radiazione dei raggi x, è simultaneamente altamente utile all'immagine la loro struttura all'analisi della fluorescenza. Per questo motivo, il gruppo ha combinato le misure della fluorescenza con un metodo della rappresentazione conosciuto come il ptychography. “Un microscopio ptychographic è equo simile a catturare un'immagine di panorama,„ spiega Stachnik. “Un esemplare esteso come una cella biologica è quadro televisivo scandito con un piccolo raggio di raggi x coerente che produce molte immagini di sovrapposizione delle parti del campione. Queste immagini di sovrapposizione poi sono cucite insieme in seguito.„

Gli impianti applicati di metodo senza alcune lenti fra il campione ed il rivelatore e di conseguenza i cosiddetti reticoli di diffrazione ai raggi X sono registrati sul rivelatore. Ciascuno di questi reticoli contiene le informazioni sulla struttura spaziale di rispettiva parte del campione, che può essere calcolato dal reticolo. “Questo definitivo provoca una mappa completamente quantitativa di densità ottica dell'esemplare„, spiega Stachnik. “Via questo trattamento complesso, ptychography fornisce le risoluzioni spaziali oltre i limiti usuali delle ottica dei raggi x.„

Grazie alla sua natura di scansione, ptychography possono combinarsi con acquisizione simultanea delle misure di fluorescenza a raggi X che forniscono un'impronta digitale unica degli elementi dicostituzione. In questo modo, una fotografia della morfologia del campione ottenuta dal ptychography può essere sovrapposta di mappa dell'elemento. “La combinazione concorrente di questi due metodi complementari della rappresentazione permette quindi alle correlazioni artefatte artefatto dei microelementi con la struttura altamente risolta dell'esemplare,„ riassume Meents.

Un presupposto fondamentale è che i raggi x sono di singolo colore soltanto (monocromatico, tutto che ha la stessa lunghezza d'onda) e che oscillano al punto (coerente) come dentro un laser. “I raggi x monocromatici coerenti sufficiente luminosi con le energie abbastanza su per lasciare i metalli come ferro essere flourescenti sono diventato soltanto disponibili alle sorgenti luminose del sincrotrone moderno come il PETRA III di DESY„, dicono Meents.

Per verificare il metodo, i ricercatori di DESY hanno collaborato con il gruppo di Ulrich Schaible dal centro di ricerca Borstel per studiare la localizzazione e la concentrazione di nanocarriers per le droghe della tubercolosi all'interno dei macrofagi, le celle dell'organismo saprofago del sistema immunitario. “Solitamente, i macrofagi distruggono gli agenti patogeni come i virus ed i batteri. Purtroppo, i batteri della tubercolosi sono riuscito ad eludere la distruzione e nascondersi dentro i macrofagi invece, anche facendo uso di loro da svilupparsi„, dice Schaible. “Come barriera per l'efficace trattamento, i posti adatti dei batteri all'interno dei macrofagi devono essere raggiunti dagli antibiotici per essere efficienti.„

Una nuova strategia “del cavallo di Troia„ utilizza i contenitori nanometro di taglia del ferro per consegnare gli antibiotici direttamente nelle celle. Questi contenitori sono cavità, riempita di antibiotici e di misura di meno di 20 nanometri di diametro (un nanometro è un milionesimo di un millimetro). “I macrofagi inghiottono i contenitori ed una volta che sono dentro la cella, le pareti del ferro delle gabbie lentamente dissolvono dovuto l'esigenza dei batteri di ferro. Finalmente, gli antibiotici sono rilasciati ed uccidono i batteri„, spiega Schaible.

Per valutare l'efficacia di questa strategia, il gruppo ha studiato i macrofagi che erano stati alimentati i contenitori del ferro. Facendo uso di una fase specialmente sviluppata di scansione al beamline P11 della diffrazione e della bio--rappresentazione di PETRA III di sorgente dei raggi x di DESY, i ricercatori potrebbero catturare le immagini della fluorescenza e ptychographic di 14 celle con risoluzione sottocellulare ed hanno identificato complessivamente 22 agglomerati dei nanocontainers all'interno di loro.

In una seconda applicazione i ricercatori hanno collaborato con il gruppo di Björn Busse dal centro medico Amburgo-Eppendorf (UKE) ed hanno analizzato il contenuto del calcio in un campione dell'osso umano. “Il calcio è un elemento chiave che rende le nostre ossa forti„, spiega il co-author Katharina Jähn dal gruppo di Busse. “Tuttavia, in tempo di alto requisito del calcio, l'organismo lo dissolve dalle ossa da usare altrove. Questi ed altri trattamenti relativi all'età possono piombo ad osteoporosi, pregiudicante quasi un quarto di tutte le donne alle età in 50 anni in Germania.„

La ricerca sperimentale su mineralizzazione dell'osso è realizzata solitamente sulle piccole fette di osso. “Tuttavia, soltanto il contenuto totale di calcio solitamente è mappato questo modo,„ dice Stachnik. “Ottenere una misura vera della concentrazione nel calcio, una deve correggere lo spessore spesso variante del campione.„ Il gruppo ha usato un'immagine ptychographic simultaneamente ottenuta per eliminare la deformazione di massa-spessore dalla mappa di distribuzione del calcio. “Con questo approccio potevamo osservare un contenuto localmente più basso del calcio a determinati punti nell'osso, che contribuisce a capire meglio che il trattamento dei disordini dell'osso e quantificare l'effetto di mineralizzazione dell'osso cambiasse in pazienti„, sottoliniamo Stachnik.

Per migliorare il metodo ancora ulteriore, i ricercatori hanno cominciato estendere l'analisi fino le misure tridimensionali. “L'impostazione sperimentale corrente sta estendenda per permettere l'acquisizione dei gruppi di dati 3D-tomographic al beamline P11,„ dice Meents. “Con molti sincrotroni che sono migliorati per produrre ancora i raggi x più luminosi, invitare il metodo per aumentare la capacità di lavorazione e per trasformarci in in un'applicazione sistematica a questi impianti.„

Il centro di ricerca Borstel, il Paul Scherrer Institute in Svizzera, l'istituto di tecnologia di Karlsruhe, il centro medico Amburgo-Eppendorf e DESY sono stati compresi in questa ricerca.

DESY è uno dei centri principali dell'acceleratore di particelle del mondo e studia la struttura e la funzione della materia - dall'interazione delle particelle elementari minuscole e dal comportamento dei nanomaterials novelli e delle biomolecole vitali ai grandi misteri dell'universo. Gli acceleratori di particelle ed i rivelatori che DESY sviluppa e costruisce alle sue posizioni a Amburgo e Zeuthen sono strumenti unici della ricerca. Generano la radiazione dei raggi x più intensa nel mondo, accelerano le particelle per registrare le energie ed aprire le nuove finestre sull'universo. DESY è un membro dell'associazione di Helmholtz, la più grande associazione scientifica della Germania e riceve il suo finanziamento dal ministero della pubblica istruzione e dalla ricerca federali tedeschi (BMBF) (90 per cento) e gli stati federali tedeschi di Amburgo e di Brandeburgo (10 per cento).

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.