Development and characterization of FI 7500: a novel near-infrared dye for in vitro and in vivo cell labeling
Diese Arbeit präsentiert die Entwicklung und umfassende Charakterisierung von FI 7500, einem neuartigen Nahinfrarot-Farbstoff, der als vielseitige und zuverlässige Alternative zur Biolumineszenz zur Visualisierung der Zellmorphologie in 2D/3D-Kulturen sowie zur Verfolgung von Tumorwachstum und Metastasierung in vivo mit langfristiger Stabilität und minimaler Auswirkung auf die Zellviabilität dient.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung eines Preprints, das nicht peer-reviewed wurde. Dies ist kein medizinischer Rat. Treffen Sie keine Gesundheitsentscheidungen auf Grundlage dieses Inhalts. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Wissenschaftler verlassen sich seit langem auf einen einfachen Trick, um das Unsichtbare sichtbar zu machen: Sie bemalen Zellen mit leuchtenden Farbstoffen. Durch das Anbringen eines fluoreszierenden Tags an eine lebende Zelle können Forscher beobachten, wie diese Zelle sich bewegt, sich teilt und mit ihren Nachbarn interagiert. Über Jahrzehnte hinweg waren diese Farben auf das sichtbare Licht beschränkt, ähnlich den Farben eines Regenbogens, die leicht gestreut werden, wenn man versucht, tief in einen lebenden Körper zu blicken. Um tiefer zu sehen, wandten sich Wissenschaftler zu einem anderen Teil des Spektrums zu: dem Nahinfrarotlicht. Dieses unsichtbare Licht dringt viel leichter durch Haut und Gewebe als sichtbare Farben und wirkt wie eine Taschenlampe, die durch dichten Nebel leuchten kann. Die Verwendung dieses Lichts in einem lebenden Tier erforderte jedoch traditionell einen komplizierten Umweg. Normalerweise mussten Forscher Zellen genetisch so verändern, dass sie ihr eigenes Licht erzeugen – ein Prozess, der das Einsetzen fremder Gene und das anschließende Füttern der Tiere mit einem speziellen chemischen Substrat beinhaltet, jedes Mal, wenn man ein Foto machen wollte. Diese Methode ist teuer, zeitaufwendig und kann das Verhalten der Zellen verändern.
Ein Forschungsteam setzte sich zum Ziel, einen einfacheren Weg zu finden. Sie wollten einen neuen, gebrauchsfertigen Farbstoff namens FI 7500 testen, der im Nahinfrarotbereich leuchtet, ohne dass eine genetische Veränderung der Zellen notwendig ist. Das Ziel war es zu prüfen, ob dieser Farbstoff an Zellen haften, in einem lebenden Tier hell leuchten und es Wissenschaftlern ermöglichen kann, zu verfolgen, wohin diese Zellen gelangen, und zwar ganz ohne den Aufwand der Gentechnik oder wiederholter chemischer Injektionen. Im Falle eines Erfolgs würde dies eine unkomplizierte Alternative bieten, um zu beobachten, wie sich Zellen durch den Körper bewegen, von der Hautoberfläche bis tief in die Organe hinein.
Die Forscher begannen damit, das Verhalten des Farbstoffs in einer Petrischale zu testen. Sie mischten den Farbstoff mit verschiedenen Arten von menschlichen und Maus-Zellen und beobachteten genau, ob er ihnen schadete. Sie fanden heraus, dass der Farbstoff bei einer spezifischen, niedrigen Konzentration sicher war und innerhalb von dreißig Minuten zu leuchten begann. Unter dem Mikroskop beschichtete der Farbstoff nicht nur die Außenseite der Zelle; er setzte sich gezielt im endoplasmatischen Retikulum ab, einem Netzwerk aus Röhren und Säcken, das als Fabrik und Transportsystem innerhalb des Zytoplasmas der Zelle fungiert. Da der Farbstoff dieses interne Netzwerk ausfüllte, beleuchtete er die gesamte Form der Zelle, einschließlich der langen, dünnen Fortsätze, während der zentrale Zellkern dunkel blieb. Dies lieferte eine klare, detaillierte Karte der Zellstruktur. Das Team testete den Farbstoff auch an dreidimensionalen Zellkugeln, sogenannten Sphäroiden, die die Art und Weise nachahmen, wie sich Zellen in echtem Gewebe zusammenballen. In lebenden, unveränderten Sphäroiden konnte der Farbstoff tief genug sehen, um die interne Struktur kleiner Cluster anzuzeigen. Wenn die Sphäroide fixiert und mit einem speziellen Klärungsmittel behandelt wurden, um sie transparent zu machen, konnte der Farbstoff noch tiefer eindringen und das Innere größerer Cluster offenlegen.
Beim Übergang von der Schale zur lebenden Welt injizierte das Team mit diesem Farbstoff gefärbte Zellen in Mäuse, um zu sehen, wie lange das Leuchten anhält. In einem Experiment platzierten sie die gefärbten Zellen unter die Haut von Mäusen. Der Farbstoff blieb drei Wochen lang hell und sichtbar, was es den Forschern ermöglichte, das Wachstum der Zellen bei der Bildung von Tumoren zu verfolgen. Interessanterweise wurde der leuchtende Bereich nicht größer, während der Tumor wuchs; stattdessen blieb das Licht konzentriert an der ursprünglichen Stelle, während der Tumor sich darum herum ausdehnte. Dies zeigte den Wissenschaftlern, dass der Farbstoff zwar hervorragend geeignet ist, um zu verfolgen, wo die Zellen begannen, aber nicht dazu verwendet werden kann, die Größe eines wachsenden Tumors allein durch das Betrachten des Lichts zu messen. Dennoch stoppte der Farbstoff das Wachstum der Zellen nicht, was bewies, dass er für die Tiere sicher war.
In einem zweiten Experiment injizierte das Team die gefärbten Zellen direkt in den Blutkreislauf von Mäusen, um zu sehen, ob sie deren Reise verfolgen konnten. Es war bekannt, dass diese Zellen von Natur aus in der Lunge zur Ruhe kommen. Innerhalb weniger Stunden konnten die Forscher die leuchtenden Zellen deutlich in der Lunge akkumulieren sehen, was bestätigte, dass der Farbstoff haftete und hell genug war, um der Reise der Zellen zu folgen. Dies funktionierte genauso gut wie die traditionelle Methode unter Verwendung genetisch veränderter Zellen, jedoch ohne die Notwendigkeit komplexer genetischer Modifikationen oder wiederholter Injektionen von Chemikalien. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass dieser neue Farbstoff ein zuverlässiges Werkzeug ist, um die Bewegung und Ansiedlung von Zellen in einem lebenden Körper zu beobachten. Er bietet eine praktische, weniger invasive Methode, um die Zellmigration und Metastasierung zu untersuchen, indem er die Barrieren der Gentechnik entfernt und den Forschern eine klarere, direktere Sicht darauf gibt, wie sich Zellen in Echtzeit verhalten.
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