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公司新闻

成像技术前沿:成像技术在药物研究领域的五个新方向

发布时间:2019-08-15 09:33 |  点击次数:

科学家们使用成像方法来确定治疗目标并提高药物疗效。本文列出了成像技术最新的五个发展方向。

在药物开发过程中,研究人员需要了解人类疾病的潜在机制以及治疗如何影响疾病,用以改善治疗方法。成像技术使科学家能够更有效地研究药物并使药物变得有效。在这里,我们研究了成像的五个最新发展方向。

1. STED显微镜下的MitoPB Yellow标记分子


为了应对被剥夺的营养素,线粒体融合在一起并增加嵴的数量。(左)来自延时序列的框架,显示两个单独的线粒体融合在一起形成单个线粒体。线粒体的外膜是看不见的:我们看到内膜融合在一起。(右)来自延时序列的框架,显示单个线粒体内的两个嵴融合在一起。比例尺代表2mm(©ITbM,名古屋大学)。

日本名古屋大学转化生物分子研究所(ITbM)领导的研究开发了一种名为MitoPB Yellow的标记分子,用于STED显微镜。
这种分子被线粒体的内膜吸收,在STED光束下具有长寿命,使研究人员能够观察细胞内的过程。根据研究人员的说法,这可能导致可以预防细胞死亡的治疗方法。
他们解释说,图像的延时序列难以捕获,因为标记分子通常在强烈的STED光束和荧光下降解。受损的标记分子也可能对细胞有毒。然而,使用MitoPB Yellow技术可以消除了这些问题。
该团队建议使用这种方法也可以使用单个STED激光进行多色STED成像。
为了证明他们的技术,研究人员在已知导致结构变化的条件下将线粒体与MitoPB Yellow放在一起。该团队以60纳米的分辨率制作了图像,并调查其生存反应。
他们观察到相邻线粒体的内膜融合在一起,并且在另一个案例中,由内膜褶皱形成的线粒体内的分隔,在单个线粒体内也融合在一起。其他的线粒体分裂成小球,膨胀并失去了嵴。
未来的研究方向将是通过制造一种荧光标记分子来降低sted激光束的强度,这种荧光标记分子在较长波长的光照射下会发光,从而降低能量。

2.'Voltron'成像工具 
美国霍华德休斯医学研究所Janelia研究园区的研究人员开发了一种名为“Voltron”的新成像工具。根据开发人员的说法,这种新的荧光技术使他们能够比以前更精确,更长时间地跟踪活体动物的神经元活动。这将使研究人员能够更深入地研究神经退行性疾病。
Voltron是一种由染料分子和特殊工程蛋白制成的模块化系统。染料已经在成像技术中使用了数十年,但在大脑中传播,这意味着神经元无法区分。 
相反,新方法依赖于多部分电压敏感蛋白,从而使科学家能够将发光目标对准特定的神经元。 
研究人员设计了动物模型以包含这种蛋白质。当信号神经元改变蛋白质的行为时,他们看到染料分子变亮并以毫秒精度变暗。当在显微镜下时,染料发出可以在视频中捕获的彩色光。 
研究人员埃里克·施赖特(EricSchreiter)希望其他人采用这一技术,他说,他们的理念是“尽快使他们开发的工具尽可能广泛可用”。

3.红外化学成像


普渡大学Weldon生物医学工程学院副教授程继新和普渡大学发现公园Birk纳米技术中心主任Ali Shakouri、Mary Jo和Robert L.Kirk开发的宽场红外光热成像装置图,以及图像。它将被用来识别活的胰腺癌细胞中(来源:叶兰白/中国科学院)。

研究人员已经开发出一种红外化学成像技术,他们说这种技术有助于确定肿瘤是恶性还是良性,减少不必要的外科手术并改善治疗方法。  
该技术由美国普渡大学和波士顿大学以及中国科学院的团队开发。这种方法可用于乳腺癌,前列腺癌和其他癌症。
该技术使用生物标记信息以亚微米分辨率成像。可以映射的区域比以前大得多。作者说,它“为生物材料标本的高通量表征开辟了一条新途径。”
该过程使用锁定摄像头,使用红外激发激光和可见探针激光照亮组织样本,以测量不同温度状态之间的变化。与传统的红外显微镜相比,光热检测使研究人员能够将成像分辨率降低一个数量级。该技术为研究人员提供了的样本区域,同时允许快速成像。来自样品的细胞保持存活并且不需要任何干燥步骤,这是在先前技术的基础上发展起来的。

4.单粒子低温电子显微镜
美国凯斯西储大学医学院的研究人员开发了一种称为单粒子低温电子显微镜的新技术。他们用它来研究的精确模型药物分子和蛋白受体之间的相互作用。
作者称,该方法提供的数据可用于发现药物分子并提高其有效性。
该技术包括将样品冷却至极低温度,然后使用新开发的电子显微镜对其进行成像。这使研究人员能够以不到十亿分之一米的速度观察药物/受体相互作用。


用格拉司琼对5-HT3A受体复合物进行2.9 Å 冷冻电镜重建。药物结合袋的特写视图和格拉尼司琼的密度图(学分:凯斯西部储备大学医学院)。

参与这项研究的桑迪普巴斯克说:“在过去,我们没有信心在它的包袋里模拟这种药物。”“现在我们可以做到了。我们还可以通过分子动力学模拟观察药物在口袋里的移动。”
研究人员在他们的研究中使用了setrons,以找到提高疗效的方法。他们发现药物和受体的成分对结合至关重要,并使用成像方法来提高结合活性。
研究表明,setrons与受体在体内的自然结合伙伴使用相同的连接位点,但形状上略有差异。他们的发现可以使治疗更加有效。

 

5.放射性成像示踪剂
美国北卡罗莱纳大学Lineberger综合癌症中心的科学家们发现了一种制造放射性示踪剂的方法,这种示踪剂有助于药物研发。
该方法利用了正电子发射断层扫描(PET)成像的示踪剂,使得将放射性标签贴到以前难以或甚至不可能贴标签的化合物上成为可能。
研究人员在他们的研究中打破了碳原子和氢原子的特定化学结构,开发了一种新的方法来附着放射性分子氟-18(一种在PET成像中广泛使用的同位素)。在激光器发出蓝光的情况下,在加入催化剂材料以加速反应后,研究人员可以打破结构中现有的化学键并插入氟-18。一旦连接,示踪剂会发射伽马射线,这些射线会被成像所接收。
负责该研究的Zibo Li博士:“PET是一种功能强大、发展迅速的技术,在医学成像以及药物发现和开发方面发挥着关键作用。”“这一发现为从现有药物中开发出更好的新药开辟了一条全新的道路。”
此外,研究人员正在努力完善他们的技术,以开发使用不同放射性药物的示踪剂,如碳-11。

结论
成像技术对于研究人员发现药物靶点和改善现有药物的疗法至关重要。该领域的新发展使科学家们能够加快研究并获得更准确的结果。

参考
1.Live mitochondria seen in unprecedented detail: photobleaching in STED microscopy overcome [Internet]. EurekAlert!. 2019 [cited 8 August 2019].
Available from: https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-08/nu-lms080719.php
 
2.‘Voltron’ imaging tool captures brain cell action in living animals [Internet]. EurekAlert!. 2019 [cited 8 August 2019].
Available from: https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-08/hhmi-it072519.php

3.New Infrared Chemical Imaging Method to Diagnose Cancers | [Internet]. Medgadget. 2019 [cited 8 August 2019].
Available from: https://www.medgadget.com/2019/07/new-infrared-chemical-imaging-method-to-diagnose-cancers.html

4.New, high-resolution images reveal clues to improve anti-nausea drugs for cancer patients [Internet]. EurekAlert!. 2019 [cited 8 August 2019]. Available from: https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-07/cwru-nhi072219.php

5.High-Resolution Electron Microscope Reveals Interactions Between Drugs and Receptors | [Internet]. Medgadget. 2019 [cited 8 August 2019]. Available from: https://www.medgadget.com/2019/07/high-resolution-electron-microscope-reveals-interactions-between-drugs-and-receptors.html

6.New method for developing medical imaging tracers discovered [Internet]. Drug Target Review. 2019 [cited 8 August 2019]. Available from: https://www.drugtargetreview.com/news/45453/method-medical-imaging-tracers-discovered/