Биолюминесцентная визуализация - Bioluminescence imaging

Визуализация сконструированной E. coli Nissle 1917 в кишечнике мыши

Биолюминесцентная визуализация (BLI) - это технология, разработанная за последнее десятилетие, которая позволяет неинвазивно изучать текущие 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.

Фон

Биолюминесценция - это процесс излучения света в живых организмах . Визуализация биолюминесценции использует естественное световое излучение одного из нескольких биолюминесцентных организмов. Три основных источника - это североамериканские светлячки , морские анютины глазки (и связанные с ними морские организмы) и такие бактерии, как Photorhabdus luminescens и Vibrio fischeri . ДНК , кодирующие белок люминесцентного встроены в лабораторных животное либо с помощью вирусного вектора или путем создания трансгенного животного . Модели распространения рака на грызунах можно изучить с помощью биолюминесцентной визуализации, например, для мышиных моделей метастазов рака груди .

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

  • Люцифераза светлячков 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 красный сдвиг (по сравнению с другими системами) этого излучения делает обнаружение люциферазы светлячков гораздо более чувствительным in vivo.
  • Люцифераза Renilla (из морских анютиных глазок ) также требует инъекции субстрата, коэлентеразина. В отличие от люциферина, целентеразин имеет более низкую биодоступность (вероятно, из-за того, что MDR1 транспортирует его из клеток млекопитающих). Кроме того, пиковая длина волны излучения составляет около 480 нм.
  • Бактериальная люцифераза имеет преимущество в том, что оперон lux,   используемый для ее экспрессии, также кодирует ферменты, необходимые для биосинтеза субстрата. Хотя первоначально считалось, что он функционирует только в прокариотических организмах, где он широко используется для разработки биолюминесцентных патогенов, он был генетически модифицирован для работы в системах экспрессии млекопитающих. Эта люциферазная реакция имеет максимальную длину волны около 490 нм.

Хотя общее количество света, излучаемого биолюминесценцией, обычно невелико и не обнаруживается человеческим глазом, сверхчувствительная камера CCD может отображать биолюминесценцию с внешней точки обзора .

Приложения

Общие применения BLI включают исследования in vivo инфекции (с биолюминесцентными патогенами), прогрессирования рака (с использованием линии биолюминесцентных раковых клеток) и кинетики восстановления (с использованием биолюминесцентных стволовых клеток ).

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.

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 исследователями из Университета Южной Калифорнии , Лос-Анджелес , США, в 2005 году. После этого исследования 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 нужна сверхчувствительная камера, чтобы увидеть свечение.

Автолюминограф

Autoluminograph является фотографией производится путем размещения света , излучающий объект непосредственно на листе пленки . Известным примером является опубликованный в журнале Science в 1986 году автолюминограф светящегося трансгенного растения табака, несущего ген люциферазы светлячков, помещенный на пленку Kodak Ektachrome 200.

Визуализация индуцированной метаболической биолюминесценции

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

использованная литература

дальнейшее чтение