Новый метод 3D-визуализации целых организмов позволяет детально изучить ключевой пигмент кожи

Для понимания биологических основ пигментации кожи и волос и связанных заболеваний, таких как альбинизм или меланома, необходима количественная трехмерная информация об архитектуре, содержании и расположении пигментных клеток. Исследователи из Медицинского колледжа Пенсильванского университета разработали новую технику, позволяющую визуализировать в 3D каждую клетку, содержащую пигмент меланин, в целой рыбке данио-рерио.

Изучение меланина сложно, поскольку он блокирует свет, используемый в традиционной микроскопии. Поэтому исследователи обратились к рентгеновской визуализации, которая может проходить через оптически непрозрачные вещества, такие как меланин.

В 2019 году команда под руководством доктора Кита Ченга, выдающегося профессора патологии, фармакологии, биохимии и молекулярной биологии, разработала «рентгеновскую гисто-томографию» — клеточную форму КТ-визуализации, как метод исследования 3D-архитектуры клеток и тканей в биологических образцах с беспрецедентным разрешением и четкостью. Спенсер Кац, студент программы подготовки ученых-медиков MD/Ph.D. в команде Ченга, модифицировал эту микро-КТ технику для целенаправленного исследования меланина — пигмента, который изучают в исследованиях цвета кожи человека и меланомы, — в целых рыбках данио.

Меланин — это пигмент от коричневого до черного цвета, который придает данио характерные полосы, а людям — темную кожу, волосы и глаза. Более 15 лет назад Ченг и его лаборатория обнаружили ключевой ген в эволюции светлого цвета кожи человека, изучая конкретную мутантную линию данио golden, у которой более светлые полосы. Это открытие продемонстрировало релевантность моделей данио для изучения важных вопросов биологии и болезней человека, включая альбинизм и меланому.

Микро-КТ, как и человеческая КТ, использует серию рентгеновских снимков, сделанных под немного разными углами, для вычисления или реконструкции 3D-представлений исходного объекта. Для микро-КТ образцы меньше, а разрешение, достигнутое командой Ченга, в 2000 раз выше. Кац использовал серебро для окрашивания меланина, что позволило исследователям определить 3D-локализацию и плотность меланина по сканам целых рыбок данио.

Для проведения визуализации лаборатория Ченга сотрудничала с Дилвортом Паркинсоном в Advanced Light Source Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Калифорния) — месте расположения одного из самых мощных в Америке источников синхротронного рентгеновского излучения, где он руководит ресурсом микро-КТ, подходящим для рентгеновской гисто-томографии Ченга. Новая система детекторов рентгеновского излучения лаборатории была разработана для достижения разрешения, беспрецедентного для образцов размером с целую рыбку данио или биопсию человека. Команда отсканировала данио как с нормальной, так и с измененной пигментацией, включая линию golden.

Исследователи смогли визуализировать каждую клетку, содержащую меланин (меланоциты), в рыбке и определить положение каждой из них в 3D. Более того, они смогли получить количественные измерения содержания в них меланина, что впервые позволило напрямую сравнить содержание меланина у нормальных и мутантных рыб. Результаты своего исследования они опубликовали в журнале eLife.

Эта работа заложила основу для дальнейших исследований меланин-содержащих раков, или меланом, которые обычно оцениваются по глубине инвазии опухолевых клеток. По словам Ченга, исследователя из Онкологического института Пенсильвании, существует ряд моделей меланомы на данио, которые можно изучать с помощью новой техники. Кац и Ченг заявили, что человеческие меланомы можно окрашивать серебром и визуализировать таким же образом для более полной характеристики опухолевых клеток и их расположения в опухолях. Они прогнозируют, что ученые смогут, например, подсчитывать количество опухолевых клеток с разными характеристиками и более определенно изучать инвазию — центральную характеристику рака, что поможет врачам в прогностических и лечебных решениях.

В будущем лаборатория Ченга продолжит разработку новых методов окрашивания и оптических методов для расширения применения гисто-томографии. Это исследование представляет собой доказательство принципа того, как можно достичь полного 3D-компьютерного анализа целых организмов и тканей с помощью микро-КТ, что может позволить гораздо более полное понимание функции генов.