Биолюминесцентная визуализация - Bioluminescence imaging

Визуализация сконструированной E. coli Nissle 1917 в кишечнике мыши

Биолюминесцентная визуализация (BLI) это технологии разработан за последнее десятилетие, что позволяет неинвазивный изучение текущих биологические процессы. В последнее время стала возможной биолюминесцентная томография (БЛТ), и несколько систем стали коммерчески доступными. В 2011 году PerkinElmer приобрела одну из самых популярных линий оптических систем визуализации с биолюминесценцией у Caliper Life Sciences.[1]

Фон

Биолюминесценция это процесс световое излучение в жизни организмы. Визуализация биолюминесценции использует собственное световое излучение одного из нескольких биолюминесцентных организмов. Три основных источника - это североамериканские Светлячок, то морские анютины глазки (и родственные морские организмы) и бактерии, такие как Photorhabdus luminescens и Вибрио фишери. В ДНК кодирующий люминесцентный белок вводится в лабораторное животное либо через вирусный вектор или создав трансгенное животное. Модели распространения рака на грызунах можно изучать с помощью биолюминесцентной визуализации.Мышиные модели метастазов рака груди.

Системы, полученные из трех вышеупомянутых групп, различаются ключевыми способами:

  • Люцифераза светлячка требует, чтобы D-люциферин был введен субъекту перед визуализацией. Пиковая длина волны излучения составляет около 560 нм. Из-за ослабления сине-зеленого света в тканях красное смещение (по сравнению с другими системами) этого излучения делает обнаружение люциферазы светлячков гораздо более чувствительным. in vivo.
  • Люцифераза Renilla (из Морские анютины глазки ) также требуется вводить его субстрат, коэлентеразин. В отличие от люциферина коэлентеразин имеет более низкую биодоступность (вероятно, из-за MDR1 транспортируя его из клеток млекопитающих). Кроме того, максимальная длина волны излучения составляет около 480 нм.
  • Бактериальная люцифераза имеет преимущество в том, что люкс  оперон Используемый для его экспрессии также кодирует ферменты, необходимые для биосинтеза субстрата. Хотя первоначально считалось, что он работает только в прокариотический организмов, где он широко используется для разработки биолюминесцентных патогенов, он был генетически сконструирован для работы в системах экспрессии млекопитающих.[2][3] Этот люцифераза Пиковая длина волны реакции составляет около 490 нм.

Хотя общее количество света, излучаемого биолюминесценцией, как правило, невелико и не обнаруживается человеческим глазом, сверхчувствительный CCD камера может отображать биолюминесценцию с внешней точки зрения.

Приложения

Общие приложения BLI включают in vivo исследования инфекции[4] (с биолюминесцентными патогенами), прогрессирование рака (с использованием линии биолюминесцентных раковых клеток) и кинетика восстановления (с использованием биолюминесцентных стволовые клетки ).[5]

Исследователи из Юго-западного медицинского центра Университета штата Калифорния показали, что биолюминесцентная визуализация может использоваться для определения эффективности противораковых препаратов, которые перекрывают кровоснабжение опухоли. Этот метод требует добавления люциферина в кровоток, который переносит его в клетки по всему телу. Когда люциферин достигает клеток, которые были изменены, чтобы нести ген светлячка, эти клетки излучают свет.[6]

Обратная задача BLT - трехмерная реконструкция распределения биолюминесцентных молекул по данным, измеренным на поверхности животных, по своей сути некорректна. Первое исследование на мелких животных с использованием BLT было проведено учеными из Университет Южной Калифорнии, Лос-Анджелес, США в 2005 году. После этого многие исследовательские группы в США и Китае создали системы, позволяющие использовать BLT.

К растениям горчицы добавлен ген, который заставляет светлячки светиться, так что растения светятся при прикосновении. Эффект длится час, но чтобы увидеть свечение, необходима сверхчувствительная камера.[7]

Автолюминограф

An автолюминограф это фотография производится путем размещения свет излучающий объект прямо на кусок фильм. Известный пример - автолюминограф, опубликованный в Наука журнал 1986 г.[8] светящегося трансгенный табачное растение, несущее люцифераза ген светлячков помещен на пленку Kodak Ektachrome 200.

Визуализация индуцированной метаболической биолюминесценции

Визуализация индуцированной метаболической биолюминесценции (imBI) используется для получения метаболического снимка биологических тканей.[9] Метаболиты, которые можно количественно определить с помощью imBI, включают глюкозу, лактат, пируват, АТФ, глюкозо-6-фосфат или D2-гидроксиглутурат.[10] imBI можно использовать для определения лактат концентрация опухоли или для измерения метаболизма мозга.[10][9]

Рекомендации

  1. ^ "PerkinElmer приобретает Caliper Life Sciences за 600 миллионов долларов наличными | Основные новости GEN | GEN". GEN. Получено 2016-06-10.
  2. ^ Близко, Дэн М .; Паттерсон, Стейси С .; Рипп, Стивен; Baek, Seung J .; Сансеверино, Джон; Сэйлер, Гэри С. (2010). Пан, Сяопин (ред.). "Автономная биолюминесцентная экспрессия кассеты бактериальной люциферазы (люкс) в клеточной линии млекопитающих". PLOS ONE. 5 (8): e12441. Bibcode:2010PLoSO ... 512441C. Дои:10.1371 / journal.pone.0012441. ЧВК  2929204. PMID  20805991.
  3. ^ Близко, Дэн М .; Hahn, Ruth E .; Паттерсон, Стейси С .; Baek, Seung J .; Рипп, Стивен А .; Сэйлер, Гэри С. (2011). «Сравнение оптимизированной для человека бактериальной люциферазы, люциферазы светлячка и зеленого флуоресцентного белка для непрерывной визуализации клеточной культуры и животных моделей». Журнал биомедицинской оптики. 16 (4): 047003–047003–10. Bibcode:2011JBO .... 16d7003C. Дои:10.1117/1.3564910. ЧВК  3094131. PMID  21529093.
  4. ^ Xiong, Yan Q .; Уиллард, Джули; Kadurugamuwa, Jagath L .; Ю, Джун; Фрэнсис, Кевин П .; Байер, Арнольд С. (2004). «Биолюминесцентная визуализация in vivo в реальном времени для оценки эффективности антибиотиков на модели эндокардита, вызванного Staphylococcus aureus у крыс». Противомикробные препараты и химиотерапия. 49 (1): 380–7. Дои:10.1128 / AAC.49.1.380-387.2005. ЧВК  538900. PMID  15616318.
  5. ^ Ди Рокко, Джулиана; Джентиле, Антониетта; Антонини, Анналиса; Труффа, Сильвия; Пьяджо, Джулия; Capogrossi, Maurizio C .; Тойетта, Габриэле (1 сентября 2012 г.). «Анализ биораспределения и приживления в печени генетически модифицированных мезенхимальных стромальных клеток, полученных из жировой ткани» (PDF). Трансплантация клеток. 21 (9): 1997–2008. Дои:10.3727 / 096368911X637452. PMID  22469297. S2CID  21603693.
  6. ^ Чжао, Давэнь; Ричер, Эдмонд; Антич, Питер П .; Мейсон, Ральф П. (2008). «Противоваскулярные эффекты комбретастатина А4 фосфата в ксенотрансплантате рака молочной железы оценены с помощью динамической биолюминесцентной визуализации и подтверждены МРТ». Журнал FASEB. 22 (7): 2445–51. Дои:10.1096 / fj.07-103713. ЧВК  4426986. PMID  18263704. Сложить резюме – Newswise (29 мая 2008 г.).
  7. ^ Доктор Крис Райли, «Светящиеся растения показывают чувствительность к прикосновениям», BBC 17 мая 2000 г.
  8. ^ Ow, D.W .; Wood, K.V .; DeLuca, M .; de Wet, J.R .; Хелински, Д. И Хауэлл, С. (1986). «Временная и стабильная экспрессия гена люциферазы светлячка в растительных клетках и трансгенных растениях». Наука. 234 (4778). Американская ассоциация развития науки. п. 856. ISSN  0036-8075.
  9. ^ а б Валента, Стефан; Voelxen, Nadine F .; Sattler, Ulrike G.A .; Мюллер-Клизер, Вольфганг (2014). «Локализация и количественная оценка метаболитов на месте с помощью люминометрии: визуализация индуцированной метаболической биолюминесценции (ImBI)». Энергетический метаболизм мозга. Нейрометоды. 90. С. 195–216. Дои:10.1007/978-1-4939-1059-5_9. ISBN  978-1-4939-1058-8.
  10. ^ а б Парки, Скотт К .; Мюллер-Клизер, Вольфганг; Пуиссегюр, Жак (2020). «Лактат и кислотность в микросреде рака». Ежегодный обзор биологии рака. 4: 141–158. Дои:10.1146 / annurev-Cancebio-030419-033556.

дальнейшее чтение