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A técnica avançada da combinação do raio X ajuda à pesquisa da tuberculose e da osteoporose

Com uma técnica avançada da combinação do raio X, os cientistas seguiram nanocarriers para drogas da tuberculose dentro das pilhas com muito elevada precisão. As ligas dois do método sofisticaram medidas do raio X da exploração e podem encontrar quantidades minúsculas de vários metais em amostras biológicas em muito de alta resolução, em equipe em torno dos relatórios de Karolina Stachnik do cientista de DESY nos relatórios científicos do jornal. Para ilustrar sua versatilidade, os pesquisadores igualmente usaram o método da combinação para traçar o índice no osso humano, uma análise do cálcio que pudesse beneficiar a pesquisa da osteoporose.

Os metais jogam os papéis chaves em processos biológicos numerosos, do transporte do oxigênio em nossos glóbulos vermelhos e da mineralização dos ossos à acumulação prejudicial de metais em pilhas de nervo como visto em doenças como Alzheimer.”

Karolina Stachnik, cientista, centro para a ciência CFEL do laser do Livre-Elétron em DESY

Os raios X alta-tensão fazem metais iluminar-se acima na fluorescência, um método que seja muito sensível mesmo às quantidades minúsculas. “Contudo, as medidas da fluorescência do raio X geralmente não mostram o ultrastructure de uma pilha, por exemplo,” diz o cientista Alke Meents de DESY que conduziu a pesquisa. “Se você quer encontrar exactamente os metais dentro de sua amostra, você tem que combinar as medidas com uma técnica de imagem lactente.” O ultrastructure compreende os detalhes da morfologia da pilha que não são visíveis sob um microscópio óptico.

Porque as amostras biológicas, tais como pilhas, são muito sensíveis à radiação do raio X, é altamente benéfico à imagem sua estrutura simultaneamente à análise da fluorescência. Por este motivo, a equipe combinou as medidas da fluorescência com um método da imagem lactente conhecido como o ptychography. “Um microscópio ptychographic é razoavelmente similar a tomar uma imagem do panorama,” explica Stachnik. “Um espécime prolongado como uma pilha biológica é quadriculação feita a varredura com um feixe de raio X coerente pequeno que produza muitas imagens de sobreposição das partes da amostra. Estas imagens de sobreposição são costuradas então junto mais tarde.”

Os trabalhos aplicados do método sem nenhumas lentes entre a amostra e o detector, e os testes padrões de difracção assim chamados do raio X são gravados consequentemente no detector. Cada um destes testes padrões contem a informação na estrutura espacial da parte respectiva da amostra, que pode ser calculada do teste padrão. “Isto conduz finalmente a um mapa inteiramente quantitativo da densidade óptica do espécime”, explica Stachnik. “Através deste processo complexo, ptychography fornece definições espaciais além dos limites usuais de sistemas óticos do raio X.”

Os agradecimentos a sua natureza da exploração, ptychography podem ser combinados com a aquisição simultânea das medidas da fluorescência do raio X que fornecem uma impressão digital original dos elementos deconstituição. Desta maneira, uma fotografia da morfologia da amostra obtida pelo ptychography pode ser coberta com um mapa do elemento. “A combinação simultânea destes dois métodos complementares da imagem lactente permite conseqüentemente correlações produto-livres de elementos de traço com a estrutura do espécime altamente resolved,” resume Meents.

Uma condição prévia fundamental é que os raios X são de uma única cor somente (monocromático, tudo que tem o mesmo comprimento de onda) e que oscilam na etapa (coerente) como dentro um laser. “Os raios X monocromáticos coerentes suficientemente brilhantes com as energias altamente bastante para deixar metais como o ferro brilhar tornaram-se somente disponíveis em fontes luminosas do synchrotron moderno como PETRA III de DESY”, dizem Meents.

Para testar o método, os pesquisadores de DESY teamed acima com o grupo de Ulrich Schaible do centro de pesquisa Borstel para investigar a localização e a concentração de nanocarriers para drogas da tuberculose dentro dos macrófagos, as pilhas do SCAVENGER do sistema imunitário. “Geralmente, os macrófagos destroem os micróbios patogénicos como vírus e bactérias. Infelizmente, as bactérias da tuberculose controlaram iludir a destruição e para esconder pelo contrário dentro dos macrófagos, mesmo usando os para crescer”, diz Schaible. “Como uma barreira para o tratamento eficaz, as ameias das bactérias dentro dos macrófagos precisam de ser alcançadas por antibióticos para ser eficientes.”

Uma estratégia nova do “Trojan Horse” usa recipientes nanômetro-feitos sob medida do ferro para entregar antibióticos directamente nas pilhas. Estes recipientes são cavidade, enchida com os antibióticos e a medida menos de 20 nanometres no diâmetro (os nanômetros são um milhonésimo de um milímetro). Os “macrófagos engolem os recipientes, e uma vez que são dentro da pilha, as paredes do ferro das gaiolas dissolvem lentamente devido à necessidade das bactérias para o ferro. Eventualmente, os antibióticos são liberados e matam as bactérias”, explicam Schaible.

Para avaliar a eficácia desta estratégia, a equipe investigou os macrófagos que tinham sido alimentados recipientes do ferro. Usando uma fase de varredura especialmente desenvolvida no beamline P11 da bio-imagem lactente e da difracção de PETRA III da fonte do raio X de DESY, os pesquisadores poderiam capturar imagens ptychographic e da fluorescência de 14 pilhas com definição subcelular e identificariam um total de 22 aglomerados dos nanocontainers dentro deles.

Num segundo aplicação que os pesquisadores teamed acima com o grupo de Björn Busse do centro médico Hamburgo-Eppendorf da universidade (UKE) e analisaram o índice do cálcio em uma amostra de osso humano. O “cálcio é um elemento chave que faça nossos ossos fortes”, explica o co-autor Katharina Jähn do grupo de Busse. “Contudo, em período da exigência alta do cálcio, o corpo dissolve-a dos ossos a ser usados em outra parte. Estes e outros processos relativos à idade podem conduzir à osteoporose, afetando quase um quarto de todas as mulheres em idades sobre 50 anos em Alemanha.”

A pesquisa experimental sobre a mineralização do osso é executada geralmente sobre fatias pequenas de osso. “Contudo, somente o índice total do cálcio é traçado geralmente esta maneira,” diz Stachnik. “Obter uma medida verdadeira da concentração do cálcio, uma tem que corrigir para a espessura frequentemente de variação da amostra.” A equipe usou uma imagem ptychographic simultaneamente obtida para remover a distorção da massa-espessura do mapa da distribuição do cálcio. “Com esta aproximação nós podíamos observar um índice localmente mais baixo do cálcio em determinados pontos no osso, que ajuda a compreender melhor que o processo de desordens do osso e para determinar o efeito da mineralização do osso muda nos pacientes”, sublinhamos Stachnik.

Para melhorar o método mesmo mais adicional, os pesquisadores começaram estender a análise às medidas tridimensionais. “A instalação experimental está sendo estendida actualmente para permitir a aquisição dos conjunto de dados 3D-tomographic no beamline P11,” diz Meents. “Com muitos synchrotrons que estão sendo promovidos para produzir mesmo uns raios X mais brilhantes, nós esperamos o método aumentar a produção e transformar-se uma aplicação rotineira nestas facilidades.”

O centro de pesquisa Borstel, o Paul Scherrer Institute em Suíça, o Instituto de Tecnologia de Karlsruhe, o centro médico Hamburgo-Eppendorf da universidade e DESY foram envolvidos nesta pesquisa.

DESY é um do acelerador de partícula principal do mundo centra e investiga a estrutura e a função da matéria - da interacção de partículas elementares minúsculas e do comportamento de nanomaterials novos e de biomoléculas vitais aos grandes mistérios do universo. Os aceleradores e os detectores de partícula que DESY desenvolve e constrói em seus lugar em Hamburgo e em Zeuthen são ferramentas originais da pesquisa. Geram a radiação a mais intensa do raio X no mundo, aceleram partículas para gravar energias e abrir novas janelas no universo. DESY é um membro da associação de Helmholtz, a associação científica a maior de Alemanha, e recebe seu financiamento do Ministério da Educação e da pesquisa federais alemães (BMBF) (90 por cento) e os estados federais alemães de Hamburgo e de Brandemburgo (10 por 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.