Com uma técnica avançada de combinação de raios-X, os cientistas rastrearam nanocarreadores para drogas contra a tuberculose dentro das células com uma precisão muito alta. O método combina duas medições sofisticadas de raios-X de varredura e pode localizar pequenas quantidades de vários metais em amostras biológicas em resolução muito alta, como uma equipe em torno da cientista do DESY, Karolina Stachnik, relata na revista Relatórios Científicos . Para ilustrar sua versatilidade, os pesquisadores também usaram o método de combinação para mapear o conteúdo de cálcio no osso humano, uma análise que pode beneficiar a pesquisa da osteoporose.

"Os metais desempenham papéis importantes em vários processos biológicos, desde o transporte de oxigênio em nossas células vermelhas do sangue e a mineralização dos ossos até o acúmulo prejudicial de metais nas células nervosas, como visto em doenças como Alzheimer, "explica Stachnik, que trabalha no Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) no DESY. Os raios X de alta energia fazem os metais acenderem em fluorescência, um método que é muito sensível mesmo em pequenas quantidades. "Contudo, as medições de fluorescência de raios-X geralmente não mostram a ultraestrutura de uma célula, por exemplo, "diz o cientista do DESY, Alke Meents, que liderou a pesquisa." Se você deseja localizar exatamente os metais em sua amostra, você tem que combinar as medições com uma técnica de imagem. "A ultraestrutura compreende os detalhes da morfologia celular que não são visíveis ao microscópio óptico.

Como amostras biológicas, como células, são muito sensíveis à radiação de raios-X, é altamente benéfico obter imagens de sua estrutura simultaneamente à análise de fluorescência. Por esta razão, a equipe combinou as medições de fluorescência com um método de imagem conhecido como pticografia. "Um microscópio pticográfico é bastante semelhante a tirar uma imagem panorâmica, "explica Stachnik." Um espécime estendido como uma célula biológica é escaneado por varredura com um pequeno feixe de raios-X coerente que produz muitas imagens sobrepostas de partes da amostra. Essas imagens sobrepostas são então costuradas depois. "

O método aplicado funciona sem lentes entre a amostra e o detector, e, como consequência, os chamados padrões de difração de raios X são registrados no detector. Cada um desses padrões contém informações sobre a estrutura espacial da respectiva parte da amostra, que pode ser calculado a partir do padrão. "Isso finalmente resulta em um mapa de densidade óptica totalmente quantitativo do espécime, "explica Stachnik." Por meio desse processo complexo, A pticografia fornece resoluções espaciais além dos limites usuais da óptica de raios-X. "

Graças à sua natureza de digitalização, A pticografia pode ser combinada com a aquisição simultânea de medições de fluorescência de raios-X que fornecem uma impressão digital exclusiva dos elementos constituintes da amostra. Desta maneira, uma fotografia da morfologia da amostra obtida por pticografia pode ser sobreposta com um mapa de elementos. "A combinação simultânea desses dois métodos de imagem complementares permite, portanto, correlações livres de artefatos de elementos vestigiais com a estrutura do espécime altamente resolvido, "resume Meents.

Um pré-requisito fundamental é que os raios X sejam de uma única cor (monocromático, todos tendo o mesmo comprimento de onda) e que oscilam em passo (coerentes) como em um laser. "Raios-X monocromáticos coerentes e suficientemente brilhantes com energias altas o suficiente para permitir a fluorescência de metais como o ferro só se tornaram disponíveis em fontes de luz síncrotron modernas como PETRA III da DESY, "diz Meents.

Para testar o método, os pesquisadores do DESY se uniram ao grupo de Ulrich Schaible do Centro de Pesquisa Borstel para investigar a localização e concentração de nanocarreadores para drogas contra tuberculose dentro de macrófagos, as células eliminadoras do sistema imunológico. "Usualmente, macrófagos destroem patógenos como vírus e bactérias. Infelizmente, bactérias da tuberculose conseguiram escapar da destruição e se esconder dentro dos macrófagos, mesmo usando-os para crescer, "diz Schaible." Como uma barreira para um tratamento eficaz, os nichos da bactéria dentro dos macrófagos precisam ser alcançados por antibióticos para serem eficientes. "

Uma nova estratégia de "Cavalo de Tróia" usa recipientes de ferro do tamanho de nanômetros para fornecer antibióticos diretamente nas células. Esses recipientes são ocos, cheios de antibióticos e medem menos de 20 nanômetros de diâmetro (um nanômetro equivale a um milionésimo de milímetro). "Os macrófagos engolem os recipientes, e uma vez que eles estão dentro da célula, as paredes de ferro das gaiolas se dissolvem lentamente devido à necessidade de ferro das bactérias. Eventualmente, os antibióticos são liberados e matam as bactérias, "explica Schaible.

Para avaliar a eficácia desta estratégia, a equipe investigou macrófagos que foram alimentados com recipientes de ferro. Usando um estágio de varredura especialmente desenvolvido na linha de luz de bioimagem e difração P11 da fonte de raios-X PETRA III do DESY, os pesquisadores conseguiram capturar imagens pticográficas e de fluorescência de 14 células com resolução subcelular e identificaram um total de 22 aglomerados de nanocontêineres dentro deles.

Em uma segunda aplicação, os pesquisadores se uniram ao grupo de Björn Busse do University Medical Center Hamburg-Eppendorf (UKE) e analisaram o conteúdo de cálcio em uma amostra de osso humano. "O cálcio é um elemento chave que torna nossos ossos fortes, "explica a co-autora Katharina Jähn do grupo de Busse." No entanto, em tempos de alta necessidade de cálcio, o corpo o dissolve dos ossos para ser usado em outro lugar. Esses e outros processos relacionados à idade podem levar à osteoporose, afetando quase um quarto de todas as mulheres com idades acima de 50 anos na Alemanha. "

A pesquisa experimental sobre mineralização óssea é geralmente realizada em pequenas fatias de osso. "Contudo, apenas o conteúdo total de cálcio é geralmente mapeado desta forma, "diz Stachnik." Para obter uma medida verdadeira da concentração de cálcio, é preciso corrigir a espessura frequentemente variável da amostra. "A equipe usou uma imagem pticográfica obtida simultaneamente para remover a distorção da espessura da massa do mapa de distribuição de cálcio." Com esta abordagem, pudemos observar um conteúdo de cálcio localmente mais baixo em certos pontos no osso, o que ajuda a compreender melhor o processo de distúrbios ósseos e quantificar o efeito das alterações da mineralização óssea nos pacientes, "enfatiza Stachnik.

Para melhorar o método ainda mais, os pesquisadores começaram a estender a análise para medições tridimensionais. "A configuração experimental está sendo estendida para permitir a aquisição de conjuntos de dados tomográficos 3-D na linha de luz P11, "diz Meents." Com muitos síncrotrons sendo atualizados para produzir raios-X ainda mais brilhantes, esperamos que o método aumente o rendimento e se torne uma aplicação de rotina nessas instalações. "

O Centro de Pesquisa Borstel, o Instituto Paul Scherrer na Suíça, o Instituto de Tecnologia de Karlsruhe, o University Medical Center Hamburg-Eppendorf e o DESY estiveram envolvidos nesta pesquisa.

DESY é um dos principais centros aceleradores de partículas do mundo e investiga a estrutura e função da matéria - desde a interação de minúsculas partículas elementares e o comportamento de novos nanomateriais e biomoléculas vitais até os grandes mistérios do universo. Os aceleradores e detectores de partículas que DESY desenvolve e constrói em seus locais em Hamburgo e Zeuthen são ferramentas de pesquisa exclusivas. Eles geram a radiação de raios-X mais intensa do mundo, acelere partículas para registrar energias e abrir novas janelas para o universo. DESY é membro da Helmholtz Association, A maior associação científica da Alemanha, e recebe seu financiamento do Ministério Federal Alemão de Educação e Pesquisa (BMBF, 90 por cento) e os estados federais alemães de Hamburgo e Brandemburgo (10 por cento).