La técnica avanzada de la combinación de la radiografía ayuda a la investigación de la tuberculosis y de la osteoporosis

Con una técnica avanzada de la combinación de la radiografía, los científicos han trazado los nanocarriers para las drogas de la tuberculosis dentro de las células con la precisión muy alta. Las cosechadoras dos del método sofisticaron mediciones de la radiografía de la exploración y pueden localizar cantidades minuciosas de diversos metales en muestras biológicas en muy de alta resolución, en equipo alrededor de los partes de Karolina Stachnik del científico de DESY en los partes científicos del gorrón. Para ilustrar su flexibilidad, los investigadores también han utilizado el método de la combinación para correlacionar el contenido en hueso humano, un análisis del calcio que puede beneficiar a la investigación de la osteoporosis.

Los metales desempeñan los papeles dominantes en procesos biológicos numerosos, del transporte del oxígeno en nuestros glóbulos rojos y de la mineralización de huesos a la acumulación perjudicial de metales en células nerviosas como se ve en enfermedades como Alzheimer.”

Karolina Stachnik, científico, centro para la ciencia de electrón libre CFEL del laser en DESY

Las radiografías de alta energía hacen que los metales se encienden hacia arriba en la fluorescencia, un método que sea muy sensible incluso a las cantidades minúsculas. “Sin embargo, las mediciones de la fluorescencia de la radiografía no muestran generalmente la ultraestructura de una célula, por ejemplo,” dice al científico Alke Meents de DESY que llevó la investigación. “Si usted quiere localizar exactamente los metales dentro de su muestra, usted tiene que combinar las mediciones con una técnica de proyección de imagen.” La ultraestructura comprende a los detalles de la morfología de la célula que no son visibles bajo un microscopio óptico.

Pues las muestras biológicas, tales como células, son muy sensibles a la radiación de la radiografía, es altamente beneficioso a la imagen su estructura simultáneamente al análisis de la fluorescencia. Por este motivo, las personas combinaron las mediciones de la fluorescencia con un método de la proyección de imagen conocido como ptychography. “Un microscopio ptychographic es bastante similar a tomar una imagen del panorama,” explica Stachnik. “Un espécimen extendido como una célula biológica es retículo explorado con un pequeño haz de radiografía coherente que produzca muchas imágenes que recubren de las partes de la muestra. Estas imágenes que recubren entonces se cosen juntas luego.”

Los trabajos aplicados del método sin ningunas lentes entre la muestra y el detector, y por consiguiente las supuestas configuraciones de difracción de radiografía se registran en el detector. Cada uno de estas configuraciones contiene la información sobre la estructura espacial de la parte respectiva de la muestra, que se puede calcular de la configuración. “Esto finalmente da lugar a un mapa completo cuantitativo de la densidad óptica del espécimen”, explica Stachnik. “Vía este proceso complejo, ptychography ofrece resoluciones espaciales más allá de los límites usuales de las ópticas de la radiografía.”

Los gracias a su naturaleza de la exploración, ptychography se pueden combinar con la adquisición simultánea de las mediciones de la fluorescencia de la radiografía que ofrecen una huella dactilar única de los elementos muestra-que constituyen. De esta manera, una fotografía de la morfología de la muestra obtenida por ptychography se puede sobreponer con un mapa del elemento. “La combinación simultánea de estos dos métodos complementarios de la proyección de imagen habilita por lo tanto correlaciones artefacto-libres de oligoelementos con la estructura altamente resuelta del espécimen,” resume Meents.

Un requisito previo fundamental es que las radiografías están de un único color solamente (monocromático, todo que tiene la misma longitud de onda) y que oscilan en el paso (coherente) como hacia adentro un laser. “Las radiografías monocromáticas coherentes suficientemente brillantes con las energías arriba bastante para permitir los metales como el hierro ser fluorescentes han estado solamente disponibles en las fuentes de luz del sincrotrón moderno como el PETRA III de DESY”, dicen Meents.

Para probar el método, los investigadores de DESY combinaron hacia arriba con el grupo de Ulrich Schaible del centro de investigación Borstel para investigar la localización y la concentración de nanocarriers para las drogas de la tuberculosis dentro de macrófagos, las células del limpiador del sistema inmune. “Generalmente, los macrófagos destruyen patógeno como virus y bacterias. Lamentablemente, las bacterias de la tuberculosis han manejado evadir la destrucción y ocultar dentro de los macrófagos en lugar de otro, incluso usando ellos a crecer”, dice Schaible. “Como barrera para el tratamiento efectivo, los lugares de las bacterias dentro de macrófagos necesitan ser alcanzados por los antibióticos para ser eficientes.”

Una nueva estrategia del “Trojan Horse” utiliza los contenedores nanómetro-clasificados del hierro para entregar los antibióticos directamente en las células. Estos contenedores son depresión, llenada de los antibióticos y de la dimensión menos de 20 nanometres en el diámetro (los nanómetros son millonésimos de un milímetro). Los “macrófagos tragan los contenedores, y una vez que están dentro de la célula, las paredes del hierro de las jaulas disuelven despacio debido a la necesidad de las bacterias del hierro. Eventual, los antibióticos se liberan y matan a las bacterias”, explican Schaible.

Para evaluar la eficacia de esta estrategia, las personas investigaron los macrófagos que habían sido introducidos los contenedores del hierro. Usando un escenario de exploración especialmente desarrollado en el beamline P11 de la bio-proyección de imagen y de la difracción de PETRA III de la fuente de la radiografía de DESY, los investigadores podrían capturar imágenes ptychographic y de la fluorescencia de 14 células con la resolución subcelular y determinaron un total de 22 aglomeraciones de nanocontainers dentro de ellos.

En un segundo uso los investigadores combinaron hacia arriba con el grupo de Björn Busse del centro médico Hamburgo-Eppendorf (UKE) de la universidad y analizaban el contenido del calcio en una muestra del hueso humano. El “calcio es un elemento clave que hace nuestros huesos fuertes”, explica al co-autor Katharina Jähn del grupo de Busse. “Sin embargo, en tiempos del requisito de alto grado de calcio, la carrocería lo disuelve de los huesos que se utilizarán a otra parte. Éstos y otros procesos relativos a la edad pueden llevar a la osteoporosis, afectando casi a un cuarto de todas las mujeres en las edades durante 50 años en Alemania.”

La investigación experimental sobre la mineralización del hueso se realiza generalmente sobre pequeñas rebanadas de hueso. “Sin embargo, solamente el contenido total del calcio generalmente se correlaciona esta manera,” dice Stachnik. “Conseguir una dimensión verdadera de la concentración del calcio, una tiene que corregir para el espesor a menudo diverso de la muestra.” Las personas utilizaron una imagen ptychographic simultáneamente obtenida para quitar la distorsión del masa-espesor del mapa de la distribución del calcio. “Con esta aproximación podíamos observar un contenido localmente más inferior del calcio en ciertos puntos en el hueso, que ayuda a entender mejor que el proceso de los desordenes del hueso y cuantificar el efecto de la mineralización del hueso cambia en pacientes”, acentuamos Stachnik.

Para perfeccionar el método incluso más futuro, los investigadores han comenzado a ampliar el análisis a las mediciones tridimensionales. “El montaje experimental se está ampliando actualmente para permitir la adquisición de los grupos de datos 3D-tomographic en el beamline P11,” dice Meents. “Con muchos sincrotrones que son aumentados para producir incluso radiografías más brillantes, preveemos que el método aumente la producción y se convierta en un uso rutinario en estas instalaciones.”

El centro de investigación Borstel, el Paul Scherrer Institute en Suiza, el Instituto de Tecnología de Karlsruhe, el centro médico Hamburgo-Eppendorf de la universidad y DESY estuvieron implicados en esta investigación.

DESY es uno del acelerador de la partícula de cabeza del mundo centra e investiga la estructura y la función de la materia - de la acción recíproca de partículas elementales minúsculas y del comportamiento de nanomaterials nuevos y de biomoléculas vitales a los grandes misterios del universo. Los aceleradores y los detectores de partícula que DESY desarrolla y construye en sus situaciones en Hamburgo y Zeuthen son herramientas únicas de la investigación. Generan la radiación más intensa de la radiografía del mundo, aceleran partículas para registrar energías y para abrir nuevas ventanas sobre el universo. DESY es una pieza de la asociación de Helmholtz, la asociación científica más grande de Alemania, y recibe su financiamiento del Ministerio de Educación y de la investigación federales alemanes (BMBF) (el 90 por ciento) y los estados federales alemanes de Hamburgo y de Brandeburgo (el 10 por ciento).

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.