Ter illustratie. Screenshot YouTube
Zelfs fans van zwart-witfilms kunnen niet ontkennen dat kleur de fotografie en films nieuw leven inblies. En als het erom gaat te leren wat er in het lichaam gebeurt, is er geen vervanging voor kleur.
Als het bijvoorbeeld mogelijk zou zijn om realtime genexpressie in onze lichaamscellen met contrasterende kleuren in kaart te brengen, zouden wetenschappers een glimp opvangen van vitale biologische processen die nu onzichtbaar zijn. Het probleem is dat de gloeiende veelkleurige eiwitten die door wetenschappers worden gebruikt om, om zo te zeggen, de innerlijke werking van cellen te verlichten, weinig helpen bij het observeren van diepgewortelde processen in het lichaam, omdat de dikte van weefsels de gloed verduistert.
Onderzoekers van het Weizmann Institute of Science hebben nu de mogelijkheid aangetoond om dergelijke processen te observeren door middel van magnetische resonantiebeeldvorming, of MRI, waarvan de radiogolfsignalen - in tegenstelling tot de gloed van licht - niet worden tegengehouden door weefsels, hoe dik ook.
Zoals vandaag gepubliceerd in Nature Biotechnology, hebben de onderzoekers een methode ontwikkeld om MRI te gebruiken om gelijktijdig, in twee kleuren, de expressie van twee verschillende genen te volgen. De methode maakt de weg vrij om met MRI een breed scala aan biologische processen in het levende lichaam te observeren in onderzoek en in de kliniek. Wanneer het verder wordt ontwikkeld, kan het bijvoorbeeld dienen om te onderzoeken hoe het ene hersengebied het andere beïnvloedt, de effecten van kankertherapie te volgen of het lot te traceren van stamcellen die voor therapeutische doeleinden in het lichaam worden geïntroduceerd.
"MRI kan op een dag worden gebruikt om gedurende een langere periode diep in het lichaam te kijken, om te zien wat er in weefsels gebeurt zonder ze te hoeven verwijderen voor onderzoek onder een microscoop", zegt Dr. Amnon Bar-Shir van de Molecular Afdeling Chemie en Materiaalwetenschappen, die het onderzoeksteam leidde. “Onze werkwijze geeft een grote stap in die richting.”
Toen in 2008 de Nobelprijs voor Scheikunde werd toegekend voor de ontwikkeling van fluorescerende eiwitten die kunnen worden gebruikt als 'reporters' om genexpressie onder de microscoop te bekijken, verklaarde een van de laureaten, wijlen Roger Y. Tsien, in zijn dankwoord dat dergelijke fluorescentie heeft zijn beperkingen, en dat deze in de toekomst wellicht kunnen worden overwonnen door technieken zoals MRI. Dat was een visionaire uitspraak, maar de bekende grijswaarden-MRI-scans die voor diagnose worden gebruikt, vertonen geen gen-activiteit, maar alleen structurele elementen.
Ook de onder bepaalde omstandigheden gegenereerde geavanceerde meerkleurige MRI-beelden zijn niet geschikt om genexpressie aan het licht te brengen. Toen MRI in het verleden was aangepast om genexpressie weer te geven, kon het slechts over één gen tegelijk 'rapporteren', door een verandering in de sterkte van het signaal op te pikken, die wordt vastgelegd als een donkere stip in het zwart-witbeeld. Het cruciale ontbrekende element dat nodig was voor het volgen van biologische processen, was het vermogen om de expressie van verschillende genen tegelijkertijd te detecteren. Net als bij fluorescerende labeling, zou dit idealiter inhouden dat verschillende kleuren aan de genen worden toegewezen.
Om de uitdaging aan te gaan, ontwikkelden de wetenschappers van Weizmann een methode in twee stappen: ten eerste hebben ze twee groepen cellen genetisch gemanipuleerd, zodat elke groep een van de twee speciaal ontworpen eiwitten tot expressie bracht. Tegelijkertijd creëerden de wetenschappers een mengsel van twee soorten moleculaire sondes, bedoeld om in de bloedbaan te worden geïnjecteerd en uitsluitend te accumuleren in de cellen die de gemanipuleerde eiwitten tot expressie brengen. De twee sondes waren ontworpen om een signaal af te geven als reactie op verschillende MRI-frequenties, die elk in een andere kleur oplichten.
Dr. Hyla Allouche-Arnon , een stafwetenschapper in het laboratorium van Bar-Shir, leidde de studie, waarin het team van Bar-Shir en andere onderzoekers samenwerkten met Prof. Sarel Fleishman en Dr. Olga Khersonsky van de afdeling Biomoleculaire Wetenschappen. Door de methode toe te passen op levende muizen, gebruikten de wetenschappers uitzonderlijk krachtige MRI-apparatuur met een magneet van ongeveer 15 tesla - een van de weinige van dergelijke machines ter wereld. De scans pikten de frequenties van de moleculaire sondes op, onthulden de exacte posities van de cellen die elk van de eiwitten tot expressie brachten en markeerden ze in groen en roze.
"Genexpressie laat ons weten wat elke cel doet", zegt Allouche-Arnon. "Dankzij onze methode kan MRI nu door onderzoekers op verschillende gebieden worden toegepast om de activiteit van allerlei processen te volgen, bijvoorbeeld die waarbij verschillende soorten hersenen of immuuncellen betrokken zijn."
De aanpak kan verder worden ontwikkeld om gelijktijdig, in kleur, de expressie van meer dan twee genen in kaart te brengen. En als het is aangepast voor gebruik bij mensen, kan het onderzoekers en artsen in staat stellen om op een niet-invasieve manier belangrijke processen in actie te zien. Bij celtherapie voor kanker kunnen bijvoorbeeld verschillende kleursondes worden gebruikt om de relatieve posities van de tumor en de therapeutische cellen te volgen.
Deelnemers aan de studie waren ook Nishanth D. Tirukoti, een onderzoek student in het laboratorium van Bar-Shir; Dr. Yoav Peleg, Dr. Orly Dym, Dr. Shira Albeck, Dr. Alexander Brandis en Tevie Mehlman van de afdeling Life Sciences Core Facilities van Weizmann; Dr. Liat Avram en Dr. Talia Harris van Weizmann's Chemical Research Support Department; en Dr. Nirbhay N. Yadav van de Johns Hopkins School of Medicine.
