成像技術前沿:成像技術在藥物研究領域的五個新方向



科學家們使用成像方法來確定治療目標并提高藥物療效。本文列出了成像技術新的五個發展方向。

在藥物開發過程中,研究人員需要了解人類疾病的潛在機制以及治療如何影響疾病,用以改善治療方法。成像技術使科學家能夠更有效地研究藥物并使藥物變得更加有效。在這里,我們研究了成像的五個新發展方向。

 

1. STED顯微鏡下的MitoPB Yellow標記分子

 

為了應對被剝奪的營養素,線粒體融合在一起并增加嵴的數量。(左)來自延時序列的框架,顯示兩個單獨的線粒體融合在一起形成單個線粒體。線粒體的外膜是看不見的:我們看到內膜融合在一起。(右)來自延時序列的框架,顯示單個線粒體內的兩個嵴融合在一起。比例尺代表2mm(?ITbM,名古屋大學)。

 

日本名古屋大學轉化生物分子研究所(ITbM)領導的研究開發了一種名為MitoPB Yellow的標記分子,用于STED顯微鏡。

這種分子被線粒體的內膜吸收,在STED光束下具有長壽命,使研究人員能夠觀察細胞內的過程。根據研究人員的說法,這可能導致可以預防細胞死亡的治療方法。

他們解釋說,圖像的延時序列難以捕獲,因為標記分子通常在強烈的STED光束和熒光下降解。受損的標記分子也可能對細胞有毒。然而,使用MitoPB Yellow技術可以消除了這些問題。

該團隊建議使用這種方法也可以使用單個STED激光進行多色STED成像。

為了證明他們的技術,研究人員在已知導致結構變化的條件下將線粒體與MitoPB Yellow放在一起。該團隊以60納米的分辨率制作了圖像,并調查其生存反應。

他們觀察到相鄰線粒體的內膜融合在一起,并且在另一個案例中,由內膜褶皺形成的線粒體內的分隔,在單個線粒體內也融合在一起。其他的線粒體分裂成小球,膨脹并失去了嵴。

未來的研究方向將是通過制造一種熒光標記分子來降低sted激光束的強度,這種熒光標記分子在較長波長的光照射下會發光,從而降低能量。

 

2.'Voltron'成像工具2 

美國霍華德休斯醫學研究所Janelia研究園區的研究人員開發了一種名為“Voltron”的新成像工具。根據開發人員的說法,這種新的熒光技術使他們能夠比以前更精確,更長時間地跟蹤活體動物的神經元活動。這將使研究人員能夠更深入地研究神經退行性疾病。

Voltron是一種由染料分子和特殊工程蛋白制成的??榛低?。染料已經在成像技術中使用了數十年,但在大腦中傳播,這意味著神經元無法區分。 

相反,新方法依賴于多部分電壓敏感蛋白,從而使科學家能夠將發光目標對準特定的神經元。 

研究人員設計了動物模型以包含這種蛋白質。當信號神經元改變蛋白質的行為時,他們看到染料分子變亮并以毫秒精度變暗。當在顯微鏡下時,染料發出可以在視頻中捕獲的彩色光。 

研究人員埃里克·施賴特(EricSchreiter)希望其他人采用這一技術,他說,他們的理念是“盡快使他們開發的工具盡可能廣泛可用”。

 

3.紅外化學成像3

 

普渡大學Weldon生物醫學工程學院副教授程繼新和普渡大學發現公園Birk納米技術中心主任Ali Shakouri、Mary Jo和Robert L.Kirk開發的寬場紅外光熱成像裝置圖,以及圖像。它將被用來識別活的胰腺癌細胞中(來源:葉蘭白/中國科學院)。

 

研究人員已經開發出一種紅外化學成像技術,他們說這種技術有助于確定腫瘤是惡性還是良性,減少不必要的外科手術并改善治療方法。  

該技術由美國普渡大學和波士頓大學以及中國科學院的團隊開發。這種方法可用于乳腺癌,前列腺癌和其他癌癥。

該技術使用生物標記信息以亞微米分辨率成像??梢雜成淶那蟣紉鄖按蟮枚?。作者說,它“為生物材料標本的高通量表征開辟了一條新途徑?!?/p>

該過程使用鎖定攝像頭,使用紅外激發激光和可見探針激光照亮組織樣本,以測量不同溫度狀態之間的變化。與傳統的紅外顯微鏡相比,光熱檢測使研究人員能夠將成像分辨率降低一個數量級。該技術為研究人員提供了龐大的樣本區域,同時允許快速成像。來自樣品的細胞保持存活并且不需要任何干燥步驟,這是在先前技術的基礎上發展起來的。

 

4.單粒子低溫電子顯微鏡

美國凱斯西儲大學醫學院的研究人員開發了一種稱為單粒子低溫電子顯微鏡的新技術。他們用它來研究的精確模型藥物分子和蛋白受體之間的相互作用。

作者稱,該方法提供的數據可用于發現藥物分子并提高其有效性。

該技術包括將樣品冷卻至極低溫度,然后使用新開發的電子顯微鏡對其進行成像。這使研究人員能夠以不到十億分之一米的速度觀察藥物/受體相互作用。

用格拉司瓊對5-HT3A受體復合物進行2.9 ? 冷凍電鏡重建。藥物結合袋的特寫視圖和格拉尼司瓊的密度圖(學分:凱斯西部儲備大學醫學院)。

 

參與這項研究的桑迪普巴斯克說:“在過去,我們沒有信心在它的包袋里模擬這種藥物?!薄跋衷諼頤強梢宰齙攪?。我們還可以通過分子動力學模擬觀察藥物在口袋里的移動?!?/p>

研究人員在他們的研究中使用了setrons,以找到提高療效的方法。他們發現藥物和受體的成分對結合至關重要,并使用成像方法來提高結合活性。

研究表明,setrons與受體在體內的自然結合伙伴使用相同的連接位點,但形狀上略有差異。他們的發現可以使治療更加有效。

 

5. 放射性成像示蹤劑

美國北卡羅萊納大學Lineberger綜合癌癥中心的科學家們發現了一種制造放射性示蹤劑的方法,這種示蹤劑有助于藥物研發。

該方法利用了正電子發射斷層掃描(PET)成像的示蹤劑,使得將放射性標簽貼到以前難以或甚至不可能貼標簽的化合物上成為可能。

研究人員在他們的研究中打破了碳原子和氫原子的特定化學結構,開發了一種新的方法來附著放射性分子氟-18(一種在PET成像中廣泛使用的同位素)。在激光器發出藍光的情況下,在加入催化劑材料以加速反應后,研究人員可以打破結構中現有的化學鍵并插入氟-18。一旦連接,示蹤劑會發射伽馬射線,這些射線會被成像所接收。

負責該研究的Zibo Li博士稱:“PET是一種功能強大、發展迅速的技術,在醫學成像以及藥物發現和開發方面發揮著關鍵作用?!薄罷庖環⑾治酉鐘幸┪鎦鋅⒊齦玫男亂┛倭艘惶躒碌牡纜??!?/p>

此外,研究人員正在努力完善他們的技術,以開發使用不同放射性材料的示蹤劑,如碳-11。


結論

成像技術對于研究人員發現藥物靶點和改善現有藥物的療法至關重要。該領域的新發展使科學家們能夠加快研究并獲得更準確的結果。

 

參考

1. Live mitochondria seen in unprecedented detail: photobleaching in STED microscopy overcome [Internet]. EurekAlert!. 2019 [cited 8 August 2019].

Available from: https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-08/nu-lms080719.php

 

2. ‘Voltron’ imaging tool captures brain cell action in living animals [Internet]. EurekAlert!. 2019 [cited 8 August 2019].

Available from: https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-08/hhmi-it072519.php

 

3.New Infrared Chemical Imaging Method to Diagnose Cancers | [Internet]. Medgadget. 2019 [cited 8 August 2019].

Available from: https://www.medgadget.com/2019/07/new-infrared-chemical-imaging-method-to-diagnose-cancers.html

 

4.New, high-resolution images reveal clues to improve anti-nausea drugs for cancer patients [Internet]. EurekAlert!. 2019 [cited 8 August 2019]. Available from: https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-07/cwru-nhi072219.php

 

5.High-Resolution Electron Microscope Reveals Interactions Between Drugs and Receptors | [Internet]. Medgadget. 2019 [cited 8 August 2019]. Available from: https://www.medgadget.com/2019/07/high-resolution-electron-microscope-reveals-interactions-between-drugs-and-receptors.html

 

6.New method for developing medical imaging tracers discovered [Internet]. Drug Target Review. 2019 [cited 8 August 2019]. Available from: https://www.drugtargetreview.com/news/45453/method-medical-imaging-tracers-discovered/





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