Teknik Labeling Sel Berbasis Mikroskopi Canggih untuk Citra Seluruh Tubuh Komprehensif
Proses dan struktur dalam tubuh yang biasanya tersembunyi dari mata dapat dibuat terlihat melalui citra medis. Ilmuwan menggunakan citra untuk menginvestigasi fungsi kompleks sel dan organ serta mencari cara untuk lebih baik mendeteksi dan mengobati penyakit. Dalam praktik medis sehari-hari, citra dari tubuh membantu dokter mendiagnosis penyakit dan memantau apakah terapi sedang bekerja. Untuk dapat menggambarkan proses spesifik dalam tubuh, peneliti mengembangkan teknik baru untuk memberi label pada sel atau molekul sehingga mereka memancarkan sinyal yang dapat dideteksi di luar tubuh dan dikonversi menjadi citra bermakna. Tim penelitian di Universitas Münster kini telah menyesuaikan strategi labeling sel yang saat ini digunakan dalam mikroskopi — teknologi SNAP-tag yang dikenal — untuk digunakan dalam citra seluruh tubuh dengan tomografi emisi pozitron (PET).
Metode ini memberi label pada sel dalam dua langkah yang bekerja untuk tipe sel yang sepenuhnya berbeda seperti sel tumor dan sel inflamasi. Pertama, sel dimodifikasi secara genetik untuk memproduksi di permukaannya, enzim SNAP-tag yang unik bagi sel yang ditargetkan. Enzim kemudian dibawa ke kontak dengan substrat SNAP-tag yang sesuai. Substrat dilabeli dengan pemancar sinyal dan direstruksi secara kimia sehingga diakui dan terpecah oleh enzim yang memungkinkan pemancar sinyal ditransfer ke enzim. Dalam proses ini, enzim dimodifikasi sehingga tidak lagi aktif dan, akibatnya, pemancar sinyal tetap terkait erat dengannya. Menurut peneliti, enzim SNAP-tag melabeli dirinya sendiri melalui aktivitas biologisnya — ini terjadi sangat cepat dan tanpa mengganggu proses alami dalam organisme.
Dalam mikroskopi, cat fluoresens digunakan untuk memberi label pada sel, tetapi kebanyakan tidak cocok untuk citra seluruh tubuh karena sinyal mereka tertambur oleh lapisan jaringan yang lebih tebal sehingga tidak lagi dapat diukur. Untuk memecahkan masalah ini, para ilmuwan memintesis substrat SNAP-tag baru menggunakan pemancar sinyal radioaktif fluorine-18. Tim telah berhasil memberi label pada sel tumor pada tikus dengan menyuntikkan substrat ini ke dalam organisme melalui aliran darah. Mereka kemudian dapat memvisualisasikan tumor menggunakan citra PET.
Teknologi ini membuka peluang untuk memvisualisasikan sel yang dienkode genetik dalam tubuh dengan berbagai modalitas citra dan pada tahapan waktu yang berbeda — peneliti menyebutnya citra multi-skala. Meskipun sinyal radioaktif dari fluorine-18 tetap stabil hanya untuk waktu singkat, langkah labeling kedua dapat diulang, sehingga sel yang sama dapat divisualisasikan berulang kali selama hari dan minggu.
Tingkat detail yang tinggi yang diberikan oleh mikroskopi memungkinkan studi tentang bagaimana sel individu berkomunikasi satu sama lain. Tampilan gambar besar yang diberikan oleh citra seluruh tubuh memungkinkan ilmuwan untuk mengevaluasi bagaimana sel ini berfungsi sebagai bagian dari sistem organ seluruh. Waktu mungkin akan mengungkap peran tipe sel individu dalam inflamasi, misalnya, saat dimulai, berlanjut, dan terselesaikan. Para peneliti berkata bahwa dengan menggabungkan semua informasi ini seseorang dapat memahami bagaimana semuanya terhubung dalam tubuh.
Langkah krusial berikutnya akan menguji berapa banyak sel yang diperlukan untuk mendapatkan sinyal yang cukup kuat dan apakah metode ini juga dapat digunakan untuk memvisualisasikan sel yang bergerak dalam organisme — khususnya sel sistem kekebalan. Jika pendekatan ini terus terbukti berhasil, teknik ini mungkin menjadi penting untuk penelitian masa depan tentang imunoterapi di mana sel kekebalan tubuh sendiri dimodifikasi secara genetik di laboratorium sehingga dapat melawan penyakit tertentu. Terapi semacam ini sudah digunakan untuk pengobatan kanker dan memiliki potensi untuk membantu mengobati penyakit inflamasi juga. Citra dapat membantu mengembangkan dan meningkatkan perawatan semacam itu.
Saat para ilmuwan menyajikan hasilnya untuk pertama kalinya di simposium ilmiah, mereka mendapat kejutan — rekan-rekan dari Tübingen menyajikan studi serupa di sana pada waktu yang sama. Secara independen satu sama lain, kedua tim penelitian memiliki ide dasar yang sama, substrat SNAP-tag yang dilabeli dengan fluorine-18. Secara kimia, mereka menerapkan ide dengan cara yang berbeda, tetapi mereka menguji substrat yang dihasilkan menggunakan sistem model biologis yang sama dan sampai pada temuan yang serupa. Tim Tübingen mengembangkan metode labeling baru untuk mempelajari sel kekebalan pada kanker, sementara tim di Münster fokus pada penyakit inflamasi, sehingga penelitian ini melengkapi satu sama lain dengan sangat baik.
Seperti semua substrat SNAP-tag, molekul yang baru dikembangkan ini didasarkan pada benzilguanine, yang kemudian diattach oleh para ilmuwan dengan isotop radioaktif fluorine-18, yang pada gilirannya ideal untuk citra PET. Tujuan adalah merancang sintesis dalam beberapa langkah cepat untuk mendapatkan sinyal yang sekuat mungkin. Karena fluorine-18 memiliki umur paruh singkat, radioaktivitasnya berkurang separuh setelah setiap 110 menit. Awalnya, para ilmuwan menemukan bahwa fluorine-18 tidak menempel pada posisi yang diinginkan pada molekul. Benzilguanine ternyata terlalu sensitif untuk dilabeli secara langsung dengan fluorine-18. Jadi, para peneliti pertama kali memberi label pada molekul kecil yang tidak sensitif terhadap reaksi kimia yang diperlukan — fluoroetilazida — dan kemudian menempelkannya pada benzilguanine menggunakan reaksi klik, yang sangat cepat dan selektif.
Para ilmuwan pertama kali memeriksa apakah substrat yang disintesis tetap stabil saat berada dalam kontak dengan darah dalam tab uji dan kemudian meneliti bagaimana sel berinteraksi dengan substrat dalam tes praktis pertama di kultur sel. Dalam melakukan ini, mereka membandingkan sel tumor manusia yang telah mereka sisipkan secara genetik dengan enzim SNAP-tag dengan yang tidak memproduksi enzim tersebut. Mereka dapat melihat dengan sangat jelas bahwa radioaktivitas hanya terserap oleh sel yang memproduksi enzim SNAP-tag. Akhirnya, tim melakukan studi terpadu pada tikus individu karena bagaimana sebuah molekul berperilaku dalam lingkungan biologis kompleks dalam organisme hidup tidak dapat disimulasikan sepenuhnya di kultur sel atau dengan organ yang diproduksi buatan. Para ilmuwan dapat menunjukkan bahwa setelah substrat disuntikkan ke aliran darah, ia didistribusikan melalui tubuh dengan sangat cepat. Selain itu, mereka mengidentifikasi jalur tempat ia dikeluarkan. Mereka kemudian membandingkan bagaimana sel tumor dengan dan tanpa enzim SNAP-tag bereaksi terhadap substrat dalam organisme hidup. Untuk tujuan ini, sel tumor disuntikkan di bawah kulit tikus dan dikeluarkan lagi setelah pemeriksaan untuk mengonfirmasi hasilnya dengan autoradiografi.
