stringtranslate.com

Биолюминесцентная визуализация

Визуализация модифицированной E. coli Nissle 1917 в кишечнике мыши

Биолюминесцентная томография (БЛТ) — это технология , разработанная за последние десятилетия (с 1990-х годов и далее). [1] [2] [3] [ когда? ] , которая позволяет проводить неинвазивное исследование текущих биологических процессов [4] [1] [5] [6] [7] Недавно стала возможной биолюминесцентная томография (БЛТ), и несколько систем стали коммерчески доступными. В 2011 году PerkinElmer приобрела одну из самых популярных линеек оптических систем визуализации с биолюминесценцией у Caliper Life Sciences. [8]

Фон

Биолюминесценция — это процесс испускания света живыми организмами . Биолюминесцентная визуализация использует собственное испускание света одним из нескольких организмов, которые биолюминесцируют, также известных как ферменты люциферазы . [9] [10] [11] Три основных источника — североамериканский светлячок , морские анютины глазки (и родственные морские организмы) и бактерии, такие как Photorhabdus luminescens и Vibrio fischeri . ДНК , кодирующая люминесцентный белок, вводится в лабораторное животное либо через вирусный вектор , либо путем создания трансгенного животного . Модели распространения рака на грызунах можно изучать с помощью биолюминесцентной визуализации, например, для мышиных моделей метастазов рака молочной железы .

Системы, полученные из трех вышеуказанных групп, различаются по следующим ключевым параметрам:

Хотя общее количество света, излучаемого при биолюминесценции, обычно невелико и не обнаруживается человеческим глазом, сверхчувствительная ПЗС-камера может запечатлеть биолюминесценцию из внешней точки наблюдения.

Приложения

Распространенные применения BLI включают исследования инфекций in vivo [14] (с биолюминесцентными патогенами), прогрессирование рака (с использованием биолюминесцентной линии раковых клеток) и кинетику восстановления (с использованием биолюминесцентных стволовых клеток ). [15]

Исследователи из Юго-Западного медицинского центра Техасского университета показали, что биолюминесцентную визуализацию можно использовать для определения эффективности противораковых препаратов, которые перекрывают кровоснабжение опухоли. Для этой методики требуется добавление люциферина в кровоток, который переносит его к клеткам по всему телу. Когда люциферин достигает клеток, которые были изменены для переноса гена светлячка, эти клетки испускают свет. [16]

Обратная задача BLT трехмерной реконструкции распределения биолюминесцентных молекул из данных, измеренных на поверхности животных, изначально некорректна. Первое исследование мелких животных с использованием BLT было проведено исследователями из Университета Южной Калифорнии , Лос-Анджелес , США, в 2005 году. После этого развития многие исследовательские группы в США и Китае создали системы, которые позволяют использовать BLT.

Растениям горчицы добавили ген, который заставляет хвосты светлячков светиться, так что растения светятся при прикосновении. Эффект длится час, но для того, чтобы увидеть свечение, нужна сверхчувствительная камера. [17]

Автолюминограф

Автолюминограф — это фотография , полученная путем помещения излучающего свет объекта непосредственно на пленку . Известным примером является опубликованный в журнале Science в 1986 году [18] автолюминограф светящегося трансгенного растения табака, несущего ген люциферазы светлячков, помещенный на пленку Kodak Ektachrome 200.

Индуцированная метаболическая биолюминесцентная визуализация

Индуцированная метаболическая биолюминесцентная визуализация (imBI) используется для получения метаболического снимка биологических тканей. [19] Метаболиты, которые можно количественно определить с помощью imBI, включают глюкозу, лактат, пируват, АТФ, глюкозо-6-фосфат или D2-гидроксиглютарат. [20] imBI можно использовать для определения концентрации лактата в опухолях или для измерения метаболизма мозга. [20] [19]

Ссылки

  1. ^ ab Zambito G, Chawda C, Mezzanotte L (август 2021 г.). «Новые инструменты для биолюминесцентной визуализации». Current Opinion in Chemical Biology . Chemical Genetics and Epigenetics * Molecular Imaging. 63 : 86–94. doi : 10.1016/j.cbpa.2021.02.005 . PMID  33770744. S2CID  232377256.
  2. ^ Contag CH, Bachmann MH (2002-08-01). «Достижения в области in vivo биолюминесцентной визуализации экспрессии генов». Annual Review of Biomedical Engineering . 4 (1): 235–260. doi :10.1146/annurev.bioeng.4.111901.093336. PMID  12117758.
  3. ^ Mezzanotte L, van 't Root M, Karatas H, Goun EA, Löwik CW (июль 2017 г.). «In Vivo Molecular Bioluminescence Imaging: New Tools and Applications». Trends in Biotechnology . 35 (7): 640–652. doi :10.1016/j.tibtech.2017.03.012. PMID  28501458.
  4. ^ Brennan CK, Ornelas MY, Yao ZW, Prescher JA (август 2021 г.). «Многокомпонентная биолюминесцентная визуализация с нафтиламинолюциферинами». ChemBioChem . 22 (16): 2650–2654. doi :10.1002/cbic.202100202. PMC 8496354 . PMID  34139065. 
  5. ^ Syed AJ, Anderson JC (май 2021 г.). «Применение биолюминесценции в биотехнологии и за ее пределами». Chemical Society Reviews . 50 (9): 5668–5705. doi : 10.1039/D0CS01492C . PMID  33735357. S2CID  232304401.
  6. ^ Thorne N, Inglese J, Auld DS (июнь 2010 г.). «Прояснение сути люциферазы светлячков и других биолюминесцентных репортеров, используемых в химической биологии». Химия и биология . 17 (6): 646–657. doi :10.1016/j.chembiol.2010.05.012. PMC 2925662. PMID  20609414 . 
  7. ^ Yeh HW, Ai HW (июнь 2019 г.). «Разработка и применение биолюминесцентных и хемилюминесцентных репортеров и биосенсоров». Annual Review of Analytical Chemistry . 12 (1): 129–150. Bibcode : 2019ARAC...12..129Y. doi : 10.1146/annurev-anchem-061318-115027. PMC 6565457. PMID  30786216 . 
  8. ^ "PerkinElmer приобретает Caliper Life Sciences за 600 млн долларов наличными". Новости генной инженерии и биотехнологии (GEN) . Mary Ann Liebert, Inc. 8 сентября 2011 г. Получено 10 июня 2016 г.
  9. ^ Prescher JA, Contag CH (февраль 2010). «Направляемые светом: визуализация биомолекулярных процессов у живых животных с помощью биолюминесценции». Current Opinion in Chemical Biology . 14 (1): 80–89. doi :10.1016/j.cbpa.2009.11.001. PMID  19962933.
  10. ^ Branchini BR, Behney CE, Southworth TL, Fontaine DM, Gulick AM, Vinyard DJ, Brudvig GW (июнь 2015 г.). «Экспериментальная поддержка механизма окисления с переносом одного электрона в биолюминесценции светлячков». Журнал Американского химического общества . 137 (24): 7592–7595. doi :10.1021/jacs.5b03820. PMID  26057379.
  11. ^ Rathbun CM, Porterfield WB, Jones KA, Sagoe MJ, Reyes MR, Hua CT, Prescher JA (декабрь 2017 г.). «Параллельный скрининг для быстрой идентификации ортогональных биолюминесцентных инструментов». ACS Central Science . 3 (12): 1254–1261. doi :10.1021/acscentsci.7b00394. PMC 5746862 . PMID  29296665. 
  12. ^ Close DM, Patterson SS, Ripp S, Baek SJ, Sanseverino J, Sayler GS (август 2010 г.). Pan X (ред.). "Автономная биолюминесцентная экспрессия кассеты гена бактериальной люциферазы (lux) в линии клеток млекопитающих". PLOS ONE . ​​5 (8): e12441. Bibcode :2010PLoSO...512441C. doi : 10.1371/journal.pone.0012441 . PMC 2929204 . PMID  20805991. 
  13. ^ Close DM, Hahn RE, Patterson SS, Baek SJ, Ripp SA, Sayler GS (апрель 2011 г.). «Сравнение оптимизированной для человека бактериальной люциферазы, люциферазы светлячков и зеленого флуоресцентного белка для непрерывной визуализации клеточной культуры и животных моделей». Журнал биомедицинской оптики . 16 (4): 047003–047003–10. Bibcode : 2011JBO....16d7003C. doi : 10.1117/1.3564910. PMC 3094131. PMID  21529093 . 
  14. ^ Сюн YQ, Уиллард Дж., Кадуругамува Дж.Л., Ю Дж., Фрэнсис К.П., Bayer AS (январь 2005 г.). «Биолюминесцентная визуализация in vivo в режиме реального времени для оценки эффективности антибиотиков на модели эндокардита, вызванного золотистым стафилококком, у крыс». Антимикробные средства и химиотерапия . 49 (1): 380–387. дои : 10.1128/AAC.49.1.380-387.2005. ПМК 538900 . ПМИД  15616318. 
  15. ^ Di Rocco G, Gentile A, Antonini A, Truffa S, Piaggio G, Capogrossi MC, Toietta G (1 сентября 2012 г.). «Анализ биораспределения и приживления в печени генетически модифицированных мезенхимальных стромальных клеток, полученных из жировой ткани». Cell Transplantation . 21 (9): 1997–2008. doi : 10.3727/096368911X637452 . PMID  22469297. S2CID  21603693.
  16. ^ Zhao D, Richer E, Antich PP, Mason RP (июль 2008 г.). «Антиваскулярные эффекты фосфата комбретастатина А4 в ксенотрансплантате рака молочной железы, оцененные с помощью динамической биолюминесцентной визуализации и подтвержденные с помощью МРТ». FASEB Journal . 22 (7): 2445–2451. doi : 10.1096/fj.07-103713 . PMC 4426986. PMID  18263704 . 
    • «Свечение светлячков помогает исследователям отслеживать эффективность лекарств от рака». Newswise . 29 мая 2008 г.
  17. ↑ Райли С. (17 мая 2000 г.). «Светящиеся растения обнаруживают тактильную чувствительность». BBC News .
  18. ^ Ow DW, DE Wet JR, Helinski DR, Howell SH, Wood KV, Deluca M (ноябрь 1986 г.). «Транзиторная и стабильная экспрессия гена люциферазы светлячка в растительных клетках и трансгенных растениях». Science . 234 (4778). Американская ассоциация содействия развитию науки: 856–859. Bibcode :1986Sci...234..856O. doi :10.1126/science.234.4778.856. PMID  17758108. S2CID  32603977.
  19. ^ ab Walenta S, Voelxen NF, Sattler UG, Mueller-Klieser W (2014). «Локализация и количественная оценка метаболитов in situ с помощью люминометрии: визуализация индуцированной метаболической биолюминесценции (ImBI)». Энергетический метаболизм мозга . Neuromethods. Vol. 90. pp. 195–216. doi :10.1007/978-1-4939-1059-5_9. ISBN 978-1-4939-1058-8.
  20. ^ ab Parks SK, Mueller-Klieser W, Pouysségur J (2020). «Лактат и кислотность в микросреде рака». Annual Review of Cancer Biology . 4 : 141–158. doi : 10.1146/annurev-cancerbio-030419-033556 .

Дальнейшее чтение