Korrelatív biomedicinális képalkotó eljárások

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Korrelatív biomedicinális képalkotó eljárások"

Róbert Illés
7 évvel ezelőtt
Látták:

1 Magyar Geofizikusok Egyesülete február 17. Korrelatív biomedicinális képalkotó eljárások Kellermayer Miklós Semmelweis Egyetem Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet

2 Térbeli problematika Tomográfiás képalkotás Felbontás: leképezőrendszer geometriájától függ Diffrakciólimitált képalkotás Meikle et al., Phys. Med. Biol. 50 (2005) R45-R61 Tárgy Fókuszsík Kép DE! 50 nm Felbontás: hullámhossztól függ AFM: miozin molekula Fluoreszcencia: PGK - Alexa 488

3 Időbeli problematika DE! Fluoreszcencia - nanoszekundum

4 Erőtér problematikája Kémiai erőtér koncentráció [funkcionális információ; ideálisan diszkrét jel - csak akkor detektálható, ha valamilyen funkció bekövetkezik (pl. interakció, kötődés, enzimreakció, stb.)] Elektromos erőtér feszültség, feszültségvektor-változások Mechanikai rugalmasság, erőgenerálás biológia elhanyagolt paramétere

5 3M... molecule - mouse - man AFM (AR MFP1D, MFP3D, Cypher) Lézercsipeszek multifoton mikroszkóp nanospect/ct nanopet/mri 2 nm atomok csillám felületen 99mTc-DTPA: BBB - kék/vörös) 201Tl-DDC: perfúzió - zöld 200 nm liposzómák vesekéreg EKG-kapuzott 18FDG PET/MRI Berlini-kék multimodáli kontrasztú nanopartikulumok

6 Molekulák - miért egyenként? 1. Egyéneket (tér- és időbeli tajektóriák) azonosíthatunk sokaságban 2. Sztochasztikus folyamatokat ismerhetünk meg Intenzitás (a.u.) Sokaság - mikrotubuláris rendszer Egyedi mikrotubulusok - treadmilling Sokaság - intenzitás Idő (s) Egyedi kvantumpont - pislogás ( blinking ) 3. Párhuzamos útvonalakon zajló folyamatokat azonosíthatunk Kigombolyodott állapot 4. Biomolekulák mechanikáját jellemezhetjük von Willebrand faktor Kinezin F1F0 ATPáz Riboszóma Konformációs tér Natív állapot

7 Egyedi aktin filamentumok fluoreszcencia mikroszkópban Izom Izomrost Miofibrillum Rodamin-jelölt aktin filamentumok motilitása - érzékenyített epifluoreszcencia videomikroszkópia Szarkomer Aktin filamentum 50 µm Miozin Vastag filamentum Szubsztrát Bárdosné Nagy Irén Agócs Gergely

8 Molekula vizualizálás AFM-mel Atomerőmikroszkóp (AFM) RNS-DNS hibrid 50 nm 50 nm Pongor Csaba Miozinmolekula 100 nm Miozin filamentum Nanospatula Simon Melinda Lakatos Eszter Brennan Decker Kiss Balázs Murvai Ünige 200 nm Liposzómák Bozó Tamás Dezmin filamentum 100 nm 400 nm Amiloid fibrillum

9 Vírus kapszid nanomechanika kapszid beroppanás ( trepanatio ) Vörös Zsuzsanna 20 nm T7 bakteriofág AFM képe kapszomér rugalmas deformáció Erő (nn) Ionel et al. J.Biol.Chem. 286, 234, Zhmurov et al. J.Phys.Chem.B 115, 5278, landolás a kapszidon 50 nm Elmozdulás (nm)

10 Biomolekula manipulálás fénnyel Tractor beam, Star Trek Lézer 3 µm-es latex mikrogyöngy a lézercsipeszben F Mikroszkóp objektív F Grádiens erő Fénytörő mikrogyöngy EGYENSÚLY: LÉZERCSIPESZ Szórási erő (fénynyomás) E. coli baktériumsejt Aktin filamentum Fáziskontraszt kép DNS Fluoreszcencia kép mikrogyöngy mozgatható lézercsipeszben mikrogyöngy stacionárius lézercsipeszben Arai et al. Nature 399, 446, 1999.

11 Megnyúlás (µm) Erő (pn) Titin manipulálás konstans-erő lézercsipesszel Kardiomiocita Mártonfalvi Zsolt Titin Pasquale Bianco Ig-domén Ig-domén FN-domén Ig-domén 7 db ß-lánc 4 nm Lézercsipesz Referencia jel (erő) Csapdázott gyöngy Mozgatott gyöngy 120 pn Mért jel (+/-) (erő) Σ Kvantált nyúlás: domének lépésenkénti kitekeredése titin ~28 nm Latex gyögy Feedback vezérlés mozgatható mikropipetta Vezérlés (+/-) (piezo mozgás) Idő (s)

12 Hol vannak az erővel kitekert titin domének? Relaxált titinmolekulák (AFM) Titinnyújtás meniszkusz erővel oldatcsepp! M titin! Rugalmas erő 500 nm ~30 nm 50 nm G G 1000 nm Fst=γπD M Megnyújtott titinmolekula 400 nm Centrifugális erő: Fc=mac=mrω2 G G G

13 Fluoreszcencia kombinálása atomerőmikroszkóppal Tárgyasztal AFM rugólapka Evaneszcens mező Objektív lencse Fluoreszcens minta Gerjesztő fénynyaláb Emittált fény IR szűrő pinhole Fotonszámláló APD detektor

14 Egyedi molekulák lokalizálása a sejtben: Szuperfelbontású mikroszkópia Kémiai Nobel-díj, 2014 Feloldási probléma (Abbé-elv) Eric Betzig Pozíciómeghatározási probléma Stefan Hell William E. Moerner Sztochasztikus adatgyűjtés egyedi fluorofórokról (pontosság a fotonszámtól függ) d d= 0.61λ n sinα STORM ( stochastic optical reconstruction microscopy ); PALM ( photoactivated lolacalization microscopy ) Mikrotubulusok Adatgyűjtési folyamat Bekapcsolt fluorofórok 3 Bekapcsolt fluorofórok 1 Bekapcsolt fluorofórok 4 Bekapcsolt fluorofórok 2 Pozíciókból számított kép Mikrotubuláris rendszer

15 In vivo fluoreszcencia I. Multifoton mikroszkópia Két (vagy több) foton energiája összeadódik a gerjesztéskor Gerjesztés (következésképp emisszió) csak a fókuszpontban (limitált fotokárosítás) Gerjesztés nagy (közeli IR) hullámhosszú, rövid (fs) fényimpulzusokkal Nagy hullámhossz miatt mély optikai behatolás (akár 2 mm) Lokálisan aktivált fotokémiai reakciók lehetősége Kis Petik Katalin GERJESZTETT ÁLLAPOT λ=400 nm λ=800 nm Gerjesztés Fényemisszió Fényemisszió Gerjesztés x2 Foton Foton ALAPÁLLAPOT Egyfoton fluoreszcencia Kétfoton fluoreszcencia Zöld: proximális vesetubulusok; Vörös: albumin (plazma) Molekuláris tetoválás: térben lokalizált módon fotoaktivált azido-blebbistatin (HeLa sejtben)

16 In vivo fluoreszcencia II. Fluoreszcencia fiberoszkópia/endoszkópia Horváth Ildikó Bélbolyhok Veres Dániel Szigeti Krisztián Máthé Domokos Vesekéreg - kálcium-kötő fehérjét expresszáló transzgenikus patkány

17 Kisállat CT mikro-ct, nano-ct CT: 36 µm voxelméret Valós-idejű CT rekonstrukció Intravénás CT kontrasztanyag Emberi fog (Széchenyi Pál)

18 Kisállat SPECT Tl-201 Dual-channel SPECT (energia szelektivitás) SPECT: ~300 µm voxelméret Hova lokalizálódik a funkció? 99m Tc-HMPAO: hexamethylpropyleneamine oxime (perfúzió) - kék/vörös) 201 Tl-DDC: diethylthiocarbamate (perfúzió) - zöld

19 NanoSPECT/CT Boa constrictor Osteomyelitis, 99m Tc-MDP (methylene-diphosphonate)

20 Kisállat PET, MRI, PET/MRI PET működés 1. PET/MRI Szinkron Tandem 2. Szinkron Tandem nanopet/mri 5.8MBq Na 18 F, egérben, 90 min, csontbeépülés 3. nanopet/mri - egér szívizom - 18 FDG

21 NanoPET/MRI időfelbontású mérések 18 F-Racloprid ürülési kinetika egér agyban EKG-kapuzott 18 FDG PET/MRI Racloprid: D2 dopamin receptor antagonista

22 PET és MRI fejlesztések 55 Co-PET MnCl2: intravénás MRI kontrasztanyag

23 Multimodális, nanorészecske alapú kontrasztanyag Trauma Berlini-kék ion-kelátor kristályszerkezet 1,5h 3h AFM: ~60 nm nanopartikulumok 8h 24h MRI, T1 55h Berlini-kék nanopartikulumok biodisztribuciója és ürülése BBB-sérülés (201Tl) 72h

24 Májtumor volumetria nanopartikulumokkal Kémiailag indukált hepatocelluláris carcinoma [ 99m Tc]-MAA - makroaggregált albumin: Kupffer sejtek veszik fel Szegmentációval a tumortérfogat pontosan mérhető Tumor térfogat - ex vivo tumortömeg korreláció validálható

25 Semmelweis Egyetem Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet Trombitás Károly Belágyi József Gerald H. Pollack Henk L. Granzier Carlos Bustamante Steven B. Smith Penke Botond Málnási-Csizmadia András Nagy Attila Paola Cacciafesta Pasquale Bianco Ferenczy György SE I. sz. Gyermekklinika: Prókai Ágnes Csohány Rózsa Pályázati támogatás: HHMI, MTA, OTKA FP5, FP7, ETT, TÉT TÁMOP, GVOP, KFKT, KTIA, VKSZ

Hasonló dokumentumok

Nanodiagnosztika: Nanopartikulum alapú in vivo képalkotás

Nanodiagnosztika: Nanopartikulum alapú in vivo képalkotás Kellermayer Miklós Semmelweis Egyetem Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet In vivo képalkotás Hand mit Ringen, 1895 Papírtölcsér fluoroszkóp (1895-1905)