Новая техника расширяет ткани для визуализации сотен биомолекул внутри клеток

Биологам часто не хватает инструментов для одновременной визуализации всех молекул в интактном образце ткани с разрешением до уровня отдельных клеток. Это ограничивает понимание функций и взаимодействий сотен или тысяч биомолекул — от липидов и метаболитов до белков — в их естественной среде.

Международная исследовательская группа разработала метод расширения тканей, который позволяет использовать масс-спектрометрическую визуализацию (mass spectrometry imaging) для одновременного обнаружения сотен молекул на уровне одной клетки в их нативных локализациях. Работа опубликована в журнале Nature Methods.

Проблема существующих методов:

• Микроскопия может отслеживать лишь ограниченное количество молекул за раз и не детектирует все типы биомолекул (например, некоторые липиды).
• Обычная масс-спектрометрия обнаруживает сотни молекул, но не работает с интактными образцами, не сохраняя пространственную информацию.
• Масс-спектрометрическая визуализация позволяет видеть сотни молекул в интактных тканях, но не обладает достаточным разрешением для уровня отдельных клеток.

Решение: объединение технологий

Ученые адаптировали технику экспансионной микроскопии (expansion microscopy), первоначально разработанную для увеличения образцов с помощью набухающего гидрогеля. Ключевым достижением стала модификация процесса: теперь ткани расширяются постепенно без молекулярной деградации, что позволяет сохранить молекулярный состав для последующего масс-спектрометрического анализа.

Результаты:

• Метод позволил выявить специфические пространственные паттерны малых молекул (липидов, пептидов, белков, метаболитов, гликанов) в разных слоях мозжечка. Оказалось, что эти молекулы распределены не равномерно, а каждый слой имеет свою уникальную сигнатуру.
• Техника успешно применена для визуализации биомолекул в тканях почки, поджелудочной железы и опухолей, демонстрируя широкую адаптивность.
• В опухолевых тканях удалось визуализировать значительные вариации в составе биомолекул, что может быть полезно для понимания молекулярных механизмов онкологических заболеваний и разработки лекарств.

Перспективы:

• Метод не требует добавления специализированного оборудования к существующим системам масс-спектрометрической визуализации, а техника расширения относительно проста в освоении.
• Это открывает возможность для широкого внедрения технологии в лабораториях по всему миру.
• Исследователи надеются, что новая методика сделает масс-спектрометрическую визуализацию более полезным инструментом для биологов, позволяя отслеживать молекулярные паттерны в процессе развития, старения и болезней.

«Когда вы можете видеть эти биомолекулы, вы начинаете понимать, почему у них такие паттерны и как это связано с функцией», — говорит руководитель исследования Мэн Ван (Meng Wang).