Одна из особенно сложных задач — увидеть одновременно все молекулы в образце неповрежденной ткани, вплоть до уровня отдельных клеток. Определение местоположения сотен или тысяч биомолекул — от липидов до метаболитов и белков — в родной среде позволяет лучше понять их функции и взаимодействие. К сожалению, у ученых нет инструментов для решения этой задачи.
Методы визуализации, включая большинство видов микроскопии, позволяют увидеть молекулы внутри клеток. Но они могут одновременно отслеживать лишь несколько молекул и не способны обнаружить все типы биомолекул, включая некоторые липиды. Другие методы, например обычная масс-спектрометрия, позволяют увидеть сотни молекул, но не работают с неповрежденными образцами, поэтому нельзя увидеть, как ориентированы биомолекулы.
Одна из перспективных методик — масс-спектрометрическая визуализация — преодолевает некоторые из этих проблем. Она позволяет видеть сотни молекул одновременно в неповрежденных тканях. Однако ее разрешение недостаточно высокое, чтобы можно было обнаружить отдельные клетки.
Именно с этой проблемой столкнулась Мэн Ванг. Она и ее команда изучают фундаментальные механизмы старения и долголетия. Исследователи хотели обнаружить множество различных биомолекул в неповрежденных тканях, чтобы понять, как они меняются по мере старения тканей. «Знать в конкретном месте, какие молекулы там находятся и что в соседних клетках, очень важно для любого биологического вопроса», — говорит Ванг.
К счастью, лаборатория Ванг находится в соседнем коридоре с Полом Тиллбергом, одним из изобретателей метода, называемого микроскопией расширения. В нем используется набухающий гидрогелевый материал для равномерного расширения образцов во всех направлениях до такой степени, что мелкие детали, такие как структура суборганелл, могут быть обнаружены с помощью обычного микроскопа.
Теперь этот процесс применяется и в других методах, не связанных с традиционной микроскопией. Ученые хотели выяснить, можно ли использовать расширение для решения проблемы пространственного разрешения масс-спектрометрических изображений.
В результате был разработан новый метод, который позволяет постепенно расширять образцы тканей, не разрушая их на молекулярном уровне, как это происходит в оригинальном процессе. Растягивая неповрежденные образцы во всех направлениях, исследователи могут использовать масс-спектрометрическую визуализацию для одновременного обнаружения сотен молекул на уровне отдельных клеток в их родных местах.
«Это позволяет изучать молекулярное пространство, и мы пытаемся приблизить его к тому, что может сделать микроскопия», — говорит Тиллберг. Команда использовала новую методику для определения специфических пространственных паттернов малых молекул в различных слоях мозжечка. Было обнаружено, что эти молекулы — включая липиды, пептиды, белки, метаболиты и гликаны — распределены неравномерно, как считалось ранее. Более того, каждый слой мозжечка имеет собственную структуру липидов, метаболитов и белков.
Команда также смогла обнаружить биомолекулы в тканях почек, поджелудочной железы и опухолей, продемонстрировав, что метод может быть адаптирован для многих типов тканей. В опухолях удалось визуализировать значительные различия биомолекул, что может быть полезно для понимания молекулярных механизмов опухолей и разработки лекарств.
«Когда вы увидите биомолекулы, то можете начать понимать, почему они имеют такой характер и как это связано с их функциями», — говорит Ванг. Новая технология позволит отслеживать закономерности в процессе развития, старения и болезни, чтобы понять, как разные молекулы влияют на эти процессы.
Поскольку новый метод не требует добавления оборудования к существующей системе визуализации масс-спектрометра, а техника расширения проста в освоении, команда надеется, что его будут использовать лаборатории по всему миру. «Мы хотели разработать нечто такое, что не требовало бы специальных инструментов или процедур, но при этом могло быть широко распространено», — заключает Ванг. Исследование опубликовано в журнале Nature Methods.
[Фото: Zhang and Ding et al. / HHMI]
