新しいセンサーにより、MRIは分子レベルの変化を確認できるようになる

研究者らは、MRIで分子レベルの変化を画像化できる遺伝子センサーを開発した。

お気に入りの医療ドラマで人々が磁気共鳴画像法 (MRI) 装置のチューブに滑り込むのを見たことがあるでしょう。あるいは、あなた自身も MRI 装置の中に入って、医師が傷害や病気を特定するために使用するノイズの多いスキャナーが脳、心臓、骨、その他の構造の画像を作成するのを待っていたことがあるかもしれません。

1970 年代以来、MRI は重要な診断ツールであり、磁場と電波を組み合わせて、高線量で健康リスクを引き起こす可能性がある電離放射線を使用せずに体内のスナップショットを生成します。 MRI は通常、解剖学的構造の変化を捉えることができますが、疾患の理解をさらに助ける分子レベルの変化には手が届きません。

さて、新しい記事では、 科学の進歩、カリフォルニア大学サンタバーバラ校の研究者らは、MRI装置が細胞内部の分子活動を視覚化できるようにする、モジュール式の遺伝的にコード化されたタンパク質ベースのセンサーの発明を報告している。この開発は、科学者による癌、神経変性、炎症の研究方法を変革する可能性がある。

「脳、心臓、腎臓、胃など、組織の構造は見ることができますが、分子情報は得られません」と、UCSB ロバート メラビアン工科大学の化学工学准教授、アルナブ ムケルジーは言います。

「つまり、何かが間違っていることや何かが変化したことを知ることができるのは、もう一度 MRI を撮影して、組織の構造と形態が変化した場合だけです。」

多くの病気や状態では、構造が変化するまでに病気は進行している、と彼は付け加えた。

ムカルジー氏は、カリフォルニア工科大学（カリフォルニア工科大学）の博士研究員だった頃から、将来人間の健康に応用できる可能性がある基礎科学や動物研究を支援するために、分子レベルでリアルタイムの変化を特定するための MRI の有用性の向上に努めてきました。

「これらの分子レベルの変化がリアルタイムで起こっているのを確認できれば、『腫瘍細胞はどのように転移するのか?』といった疑問を抱くことができます。 「動物が老化するにつれて、神経変性は分子レベルでどのように進行するのでしょうか？」と彼は言います。 「現時点ではそれを行う方法はありません。」

Mukherjee と彼の同僚は、合成生物学に関連する概念を応用して、「実際に」構造的および分子的変化を捉えています。この目的のために、彼らは細胞に遺伝子操作できるタンパク質ベースのセンサーを作成し、MRI で分子プロセスを視覚化できるようにしました。この技術は、健康状態の変化を引き起こす神経変性疾患、がんの発生、炎症、その他の異常についての理解を高める可能性があります。研究チームはモジュール式のセンサーを開発し、研究者が細胞内のさまざまなプロセスを標的とするために特定のタンパク質を結合または置換できるようにした。彼らの 科学の進歩 この記事では、センサーとそのレゴのようなアーキテクチャについて詳しく説明しています。

MRI が細胞のこのようなきめ細かい変化を検出できるようにするために、ムケルジー氏と彼のチームは、MRI が細胞、組織、その他の構造の内部を「見る」ことができるセンサーを見つける必要がありました。 MRI は磁場を生成することで機能し、スキャン対象の構造内のほとんどの水素原子を整列させます。次に、電波は残りの水素原子を使用して画像を作成します。これは体内を覗く強力な方法ですが、分子レベルの情報を取得するために使用することはできません。

1960年代以来、研究者らはクラゲ由来の蛍光タンパク質に含まれる遺伝子を利用して、細胞内のタンパク質、遺伝子、個々の分子にタグを付け、蛍光顕微鏡で何が起こるかを観察してきた。これらの光るタンパク質により、科学者は病原体に対する免疫細胞の反応や腫瘍細胞の増殖などのプロセスをリアルタイムで観察できるようになりました。

カリフォルニア工科大学で、ムケルジー氏は、MRI が同様のこと、つまり磁場で拾って画像化できる「輝き」を発することを可能にするタンパク質を探し始めました。この分子精度により、研究者、そしていつかは医療従事者に、脳内の神経変性の進行を追跡したり、特定の薬剤ががん細胞をうまく阻止しているかどうかを確認したりできるようになるでしょう。

彼の研究は、細胞膜に砂時計の形をしたチャネルを形成し、水を細胞の内外に移動させるタンパク質であるアクアポリンにつながりました。

「私たちの水分子は、とても小さな磁石です」とムケルジー氏は言います。 「水分子が細胞内を行き来する速度を制御したり影響を与えることができれば、その磁気信号を特定の種類の細胞や生物学的プロセスに特異的にすることができ、MRI がこのプロセスを分子レベルで報告できるようになり、現在可能であるよりもはるかに詳細な情報が得られるでしょう。」

Mukherjee 氏は 2017 年に UCSB に到着すると、このアプローチをさまざまな細胞の標的やプロセスの視覚化に役立つようにする取り組みを開始しました。彼と彼の同僚は、研究者が研究している内容に合わせて調整できる遺伝的「回路」を作成するために、アクアポリンとさまざまなタンパク質を組み合わせ始めました。当時ムカルジー研究室の化学と生化学の博士課程の学生だったアシッシュ・ニナン・チャッコは、システムの微調整に取り組んだ。

「このタンパク質は多くの化学シグナルを使用して制御できます」と、センサーに構成要素のように追加することができるとチャコ氏は言います。 「この特定のプロテアーゼを別の種類のプロテアーゼに置き換えて、さまざまなプロセスの検出に使用することもできます。」

MAPPER (レポート機能を強化するためのモジュール式アクアポリンベースのプロテアーゼ活性化可能プローブ) と呼ばれる交換可能なシステムにより、アクアポリン駆動 MRI を使用して、実験室環境で細胞内の多数の化学プロセスを追跡することが可能になります。

「これはこの論文で初めてのことです」とチャッコ氏は言う。「これまでの科学文献では、それぞれが固有の分析物、つまり測定対象の化学物質または化合物を検出するために使用される遺伝子センサーは 4 つまたは 5 つしか見たことがありません。」 「この論文では、この 1 つのセットアップで検出できる 10 近くのシステムについて説明します。」

研究者らは、実験動物への需要を減らしながら、病気の進行に関する動物研究の信頼性を向上させるためにこのツールが使用されることを構想しています。

「現時点では、研究の一環として動物の内臓にアクセスする必要がある場合、動物を犠牲にせずにそれを行う方法はありません。そして、実験を時間内の単一のスナップショットに制限することになります。動物の代謝や治療に対する反応はそれぞれ異なるため、誤解を招く可能性があります」とチャッコ氏は言う。

「私たちのアプローチにより、研究の過程で同じ動物を継続的に画像化することが可能になり、病気や生物学のより正確な画像が得られます。」

このシステムの構成要素の性質、つまり、アクアポリンとタンパク質のカスタム配列を積み重ねてさまざまなプロセスを視覚化できる機能により、研究者は、新しい化学物質やプロセスを監視するたびに、新しい MRI センサーを最初から設計する必要がなくなります。その代わりに、MAPPER システムにさまざまなコンポーネントを追加することで、数カ月以内にセンサーを開発できるようになると Mukherjee 氏は説明します。Mukherjee 氏は、そのプロセスを学ぶための学部生向けの夏季トレーニング プログラムの作成を構想しています。

「私たちはこれらのセンサーを実際に使用する人々の手に渡したいと考えています。それがMAPPERを使用して脳内のカルシウムの変化を観察できる神経科学者であろうと、あるいはこのツールを使用してマウスの胎児から成体までの発育を追跡できる発生生物学者であろうと」と彼は言う。

ソース： カリフォルニア大学サンタバーバラ校