Taking ultrasound to the molecular level / Acquisizione di ultrasuoni a livello molecolare
Ultrasound could be used to image cells and molecules deep inside the human body thanks to developments in protein engineering at Caltech in the US.
The researchers are said to have engineered protein-shelled nanostructures called gas vesicles – which reflect sound waves – to exhibit new properties useful for ultrasound technologies.
The modified gas vesicles were shown to give off more distinct signals, making them easier to image; target specific cell types; and help create colour ultrasound images. In the future, they could be administered to a patient to visualize tissues of interest.
“It’s somewhat like engineering with molecular Legos,” said Mikhail Shapiro, an assistant professor of chemical engineering and senior author of a new paper about the research published in ACS Nano. “We can swap different protein ‘pieces’ on the surface of gas vesicles to alter their targeting properties and to visualise multiple molecules in different colours.”
“Today, ultrasound is mostly anatomical,” said Anupama Lakshmanan, a graduate student in Shapiro’s lab and lead author of the study. “We want to bring it down to the molecular and cellular level.”
Gas vesicles are naturally occurring in water-dwelling single-celled organisms, such as Anabaena flos-aquae, a species of cyanobacteria that forms filamentous clumps of multicell chains. The gas vesicles help the organisms control how much they float and their exposure to sunlight at the water’s surface. From a previous study, Shapiro realised that the vesicles would readily reflect sound waves during ultrasound imaging, and demonstrated this using mice.
In the current research, Shapiro and his team set out to give gas vesicles new properties by engineering gas vesicle protein C, or GvpC, a protein naturally found on the surface of vesicles that prevents them from collapsing. The protein can be engineered to have different sizes, with longer versions of the protein producing stronger and stiffer nanostructures.
“The proteins are like the framing rods of an airplane fuselage. You use them to determine the mechanics of the structure,” Shapiro said in a statement.
In one experiment, the scientists removed the strengthening protein from gas vesicles and then administered the engineered vesicles to mice and performed ultrasound imaging. Compared to normal vesicles, the modified vesicles vibrated more in response to sound waves, and resonated with harmonic frequencies. According to Caltech, harmonics are not readily created in natural tissues, making the vesicles stand out in ultrasound images.
In another set of experiments, the researchers demonstrated how the gas vesicles could be made to target certain tissues in the body. They genetically engineered the vesicles to display various cellular targets, such as an amino acid sequence that recognises proteins called integrins that are overproduced in tumour cells.
The team is also said to have shown how multicolour ultrasound images might be created. Conventional ultrasound images appear black and white. Shapiro’s group created an approach for imaging three different types of gas vesicles as separate “colours” based on their differential ability to resist collapse under pressure. The vesicles themselves do not appear in different colours, but they can be assigned colours based on their different properties.
To demonstrate this, the team made three different versions of the vesicles with varying strengths of the GvpC protein. They then increased the ultrasound pressures, causing the variant populations to successively collapse. As each population collapsed, the overall ultrasound signal decreased in proportion to the amount of that variant in the sample, and this signal change was then mapped to a specific colour. In the future, if each variant population targeted a specific cell type, researchers would be able to visualise the cells in multiple colours.
“You might be able to see tumour cells versus the immune cells attacking the tumour, and thus monitor the progress of a medical treatment,” said Shapiro.
ITALIANO
Gli ultrasuoni potrebbero essere utilizzati per la formazione di immagini cellule e di molecole profonde all'interno del corpo umano grazie a sviluppi in ingegneria delle proteine presso Caltech negli Stati Uniti.
Si dice che i ricercatore abbiano ingegnerizzato nanostrutture di proteine-sgusciate chiamate vescicole di gas - che riflettono le onde sonore - per utilizzare nuove proprietà utili per le tecnologie a ultrasuoni.
Le vescicole di gas modificate hanno dimostrato di sprigionare segnali più distinti, rendendoli più facili da convertire in immagine e contribuire a creare immagini ecografiche a colori. In futuro, potrebbero essere somministrati ad un paziente per visualizzare i tessuti di interesse.
"E 'un po' come l'ingegneria con i Lego molecolare", ha detto Mikhail Shapiro, assistente professore di ingegneria chimica e senior autore di un nuovo documento sulla ricerca pubblicata in ACS Nano. "Siamo in grado di scambiare diverse proteine sulla superficie di vescicole di gas ad alterare le loro proprietà di targeting e di visualizzare più molecole in diversi colori."
"Oggi, l'ecografia è in gran parte anatomica", ha detto Anupama Lakshmanan, uno studente laureato in laboratorio di Shapiro e autore principale dello studio. "Vogliamo portarla fino al livello molecolare e cellulare."
Le vescicole di gas sono naturalmente presenti in organismi unicellulari, come Anabaena flos-aquae, una specie di cianobatteri che forma ciuffi filamentosi delle catene Multicell. Le vescicole di gas aiutano gli organismi e controllano quanto galleggiano e la loro esposizione alla luce solare sulla superficie dell'acqua. Da uno studio precedente, Shapiro si rese conto che le vescicole sarebbero in grado di prontamente riflettere le onde sonore durante la formazione delle immagini ad ultrasuoni, e ha dimostrato questo utilizzando topi.
Nella ricerca attuale, Shapiro e il suo gruppo hanno cercato di associare a vescicole di gas nuove proprietà di proteina delle vescicole nel gas ingegneria C, o GVPC, una proteina naturalmente presente sulla superficie delle vescicole che impedisce loro di collassare. La proteina può essere progettato per avere diverse dimensioni, con le versioni più lunghe della proteina che producono nanostrutture forte e più rigide.
"Le proteine sono come le aste di inquadratura di una fusoliera dell'aeroplano. Li usa per determinare la meccanica della struttura, "Shapiro ha detto in un comunicato.
In un esperimento, gli scienziati hanno rimosso la proteina di rafforzamento da vescicole di gas e quindi somministrate le vescicole progettate per topi ed eseguite formazioni di immagini ad ultrasuoni. Rispetto alle vescicole normali, le vescicole modificate vibrano di più in risposta alle onde sonore, e in risonanza con frequenze armoniche. Secondo Caltech, le armoniche non sono facilmente create in tessuti naturali.
In un'altra serie di esperimenti, i ricercatori hanno dimostrato come le vescicole gas potrebbe essere fatte per essere indirizzati ad alcuni tessuti del corpo. Esse sono state geneticamente ingegnerizzate per visualizzare vari bersagli cellulari, come una sequenza di amminoacidi che riconosce proteine chiamate integrine che vengono prodotte elevate nelle cellule tumorali.
Il gruppo ha anche detto di aver mostrato come potrebbero essere create multicolori immagini ecografiche. Le immagini ecografiche convenzionali appaiono in bianco e nero. Il gruppo di Shapiro ha creato un approccio per la creazione dell'immagine secondo tre diversi tipi di vescicole a gas "colori" separati in base alla loro diversa capacità di resistere al crollo sotto pressione. Le vescicole stesse non vengono visualizzate in colori diversi, ma possono essere assegnate ad esse i colori in base alle loro diverse proprietà.
Per dimostrare questo, il gruppo ha fatto tre diverse versioni di vescicole con diversi punti di forza della proteina GVPC. Hanno poi aumentato le pressioni ad ultrasuoni, causando il collasso delle popolazioni in successione. Poiché ciascuna popolazione ha collassato, il segnale complessivo ad ultrasuoni viene ridotta in proporzione alla quantità di tale variante nel campione, e questo cambiamento di segnale è stato poi mappato secondo un colore specifico. In futuro, se ogni popolazione variante è riferibile ad un tipo specifico di cellule, i ricercatori saranno in grado di visualizzare le cellule in diversi colori.
"Si potrebbe essere in grado di vedere le cellule tumorali rispetto alle cellule immunitarie che attaccano il tumore, e quindi monitorare l'avanzamento di un trattamento medico", ha detto Shapiro.
Da:
https://www.theengineer.co.uk/taking-ultrasound-to-the-molecular-level/?cmpid=tenews_2578111
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