litceysel.ru
добавить свой файл
1
Нанобиотехнологии и медицина (студенты, аспиранты, молодые ученые).


Задача 7 «Нановизуализация» (базовая).


аб


На этих двух фотографиях представлены два нанобиотехнологических метода визуализации опухоли молочной железы у мышей. В обоих случаях визуализация опухоли осуществляется при облучении животного светом с длиной волны 550-560 нм (а) и 670-690 нм (б), в результате чего опухоль начинает светиться в красной области спектра.

Назовите соединение, которое испускает свет в каждом случае? (1 балл) Назовите метод, при помощи которого был осуществлен синтез этого соединения и укажите место его синтеза в каждом случае (1 балл). Каким образом это соединение ввели в мышь в каждом случае? (2 балла) Каким образом это соединение удалось доставить в опухоль молочной железы и локализовать в ней в каждом случае? (1 балл) Каким образом и с использованием каких методов был смоделирован рак груди на мышах в каждом случае? (2 балла). Можно ли оба представленных метода визуализации опухоли использовать для диагностики опухолевых заболеваний и для каких еще целей можно использовать этот/эти метод(ы)? (1 балл).





На этой фотографии представлены культивируемые in vitro клетки линии HeLa, которые при облучении их светом с длиной волны 400 нм стали светиться в зеленой, желтой и красной областях спектра.

Какие соединения испускают свет? (1 балл) Назовите структуры (органоиды) клетки, испускающие свет. (1 балл) Назовите биомакромолекулы, «помеченные» различными «цветами» (2 балла). Каким образом удалось различные структуры и биомакромолекулы клетки пометить различными «цветами»? (1 балл) Какие биомакромолекулы ответственны за узнавание различных структур клетки? Каково собирательное название этих биомакромолекул? (1 балл) Какие еще вы знаете биомакромолекулы, способные к специфичному «узнаванию» различных клеток и клеточных структур? (1 балл) Укажите преимущества и недостатки каждой названной вами макромолекулы как молекулы, способной к специфичному «узнаванию» различных клеток и клеточных структур. (2 балла)



Ответы:

Назовите соединение, которое испускает свет в каждом случае?

На фотографии слева – красный флуоресцентный белок (максимум поглощения - 557 нм, максимум испускания – 585 нм), на фотографии справа – флуоресцентный краситель Cy5.5 (максимум поглощения - 675 нм, максимум испускания – 694 нм).

Назовите метод, при помощи которого был осуществлен синтез этого соединения и укажите место его синтеза в каждом случае

Синтез красного флуоресцентного белка (RFP) в трансгенных опухолевых клетках человека, имплантированных в мышь, осуществляется так же, как и синтез всех других белков, т.е. посредством процессов транскрипции, трансляции и пострансляционной модификации белка. Место синтеза RFP – клетки рака молочной железы человека линии MDA-MB-435. Синтез флуоресцентного красителя Cy5.5 осуществляется посредством химического синтеза на химическом заводе или в химической лаборатории.

Каким образом это соединение ввели в мышь в каждом случае?

Для того, чтобы ввести RFP мышам, сначала с помощью методов генетической инженерии (конструирование RFP-экспрессирующего вектора, трансфекция опухолевых клеток этим вектором) ввели ген белка в культивируемые клетки рака молочной железы человека линии MDA-MB-435, затем эти клетки, экспрессирующие RFP, имплантировали в жировую ткань мыши, где они сформировали опухоль. Флуоресцентный краситель Cy5.5 ввели мышам в составе наночастиц сложного строения, представляющим собой конъюгат магнитных наночастиц с молекулой Cy5.5 и пептидом EPPT, способным специфически связываться с опухолевым антигеном uMUC-1. При внутривенном введении этой наноконструкции мышам с моделью рака груди, полученной путем имплантации в жировую ткань мыши uMUC-1-позитивных клеток аденокарциномы груди человека линии BT-20, наночастицы специфически аккумулировались в опухоли посредством механизма направленной доставки с помощью лиганда направленной доставки пептида EPPT.


Каким образом и с использованием каких методов был смоделирован рак груди на мышах в каждом случае?

На фотографии слева – рак груди был смоделирован посредством имплантации в жировую ткань трансгенной мыши (с экспрессией в тканях зеленого флуоресцентного белка) клеток рака молочной железы человека линии MDA-MB-435. На фотографии справа – рак груди был смоделирован посредством имплантации в жировую ткань мыши клеток аденокарциномы груди человека линии BT-20.

Можно ли оба представленных метода визуализации опухоли использовать для диагностики опухолевых заболеваний и для каких еще целей можно использовать этот/эти метод(ы)?

Метод визуализации опухоли с помощью RFP нельзя использовать для диагностики опухоли, т.к. RFP экспрессируется только в трансгенных клетках или организмах. Метод визуализации опухоли с помощью введения наночастиц, конъюгированных с флуоресцентными метками и лигандами направленного действия имеет большие перспективы как метода диагностики опухолевых заболеваний, но в клинике пока не используется.

Какие соединения испускают свет?

Квантовые точки Qdot® 525, Qdot® 585 и Qdot® 655 с максимумами излучения, соответственно, 525, 585 и 655 нм.

Назовите структуры (органоиды) клетки, испускающие свет?

Тубулиновые микрофиламенты в цитоплазме (зеленый цвет), структуры аппарата Гольджи (желтый цвет), ядро (красный цвет).

Назовите биомакромолекулы, «помеченные» различными «цветами»

Тубулин (зеленый цвет), гиантин (желтый цвет), нуклеосома (структура, включающая часть двойной цепи ДНК и комплекса белков-гистонов) (красный цвет).

Каким образом удалось различные структуры и биомакромолекулы клетки пометить различными «цветами»?

Благодаря тому, что квантовые точки были конъюгированы со вторичными антителами, которые специфически связывались с предварительно добавленными первичными антителами к соответствующим антигенам. Эти системы представляют собой: 1) крысиные анти–α-тубулин антитела, биотин-конъюгированные козьи анти–крысиные IgG антитела и Qdot® 525 квантовые точки, конъюгированные со стрептавидином (зеленый цвет); 2) кроличьи анти-гиотин антитела и Qdot® 585 квантовые точки, конъюгированные с козьими F(ab’)2 анти–кроличьими IgG антителами (желтый цвет); 3) мышиные анти-нуклеосома антитела и Qdot® 655 квантовые точки, конъюгированные с козьими F(ab’)2 анти–мышиными IgG антителами (красный цвет).


Какие биомакромолекулы ответственны за узнавание различных структур клетки? Каково собирательное название этих биомакромолекул?

Эти биомакромолекулы – моноклональные первичные IgG антителама или иммуноглобулины G типа.

Какие еще вы знаете биомакромолекулы, способные к специфичному «узнаванию» различных клеток и клеточных структур?

Наноантитела, пептиды, лектины, трансферрин и др.

Укажите преимущества и недостатки каждой названной вами макромолекулы как молекулы, способной к специфичному «узнаванию» различных клеток и клеточных структур.

Наноантитела – преимущества: специфическое узнавание, компактность как лигандов для направленной доставки, меньшая иммуногенность; недостатки: очень сложная и дорогая технология получения.

Пептиды – преимущества: компактность как лигандов для направленной доставки, относительная простота получения; недостатки: меньшая по сравнению с антителами селективность, иммуногенность.

Лектины - преимущества: меньшая иммуногенность, высокая специфичность, компактность как лигандов для направленной доставки, относительная простота получения; недостатки: узкая направленность на узнавание полисахаридов.

Трансферрин - преимущества: меньшая иммуногенность, высокая специфичность; недостатки: ограниченность функциональности только в пределах системы Трансферрин–трансфериновый рецептор.


Для более подробного ознакомления:

1. Medarova Z., Rashkovetsky L., Pantazopoulos P., Moore A. Multiparametric monitoring of tumor response to chemotherapy by noninvasive imaging. Cancer Res., 2009, 69(3): 1182-1189;

2. Yang M., Reynoso J., Jiang P., Li L., Moossa A.R., Hoffman R.M. Transgenic nude mouse with ubiquitous green fluorescent protein expression as a host for human tumors. Cancer Res. 2004, 64(23): 8651-8656.

3. http://www.invitrogen.com/site/us/en/home/References/Molecular-Probes-The-Handbook/Ultrasensitive-Detection-Technology/QDot-Nanocrystal-Technology.html#head1



Методические замечания:


  1. Задача решается в рамках базовых знаний и здравого смысла

  2. Вопросы можно задать в специальном разделе форума http://www.nanometer.ru/forum/viewforum.php?f=19 или найти ответ самостоятельно (в том числе изучив доступные Вам Лекции на сайте Олимпиады http://www.nanometer.ru/lectures.html?UP=156195 )

  3. Решение оформляется и отсылается только в электронном виде, как описано в инструкциях к работе с задачами и решениями заочного теоретического тура, приведенных в разделе «Олимпиада» http://www.nanometer.ru/olymp2_o4.html

  4. Подписывать решения не надо, Ваша фамилия, имя и отчество будут зашифрованы при проверке, идентификация для системы проверки производится по логину и паролю, который Вы вводите при входе на сайт Олимпиады www.nanometer.ru в качестве участника (этот пароль Вы задавали при регистрации и заполнении анкеты участника).