Metode Pelabelan Sel dari Mikroskopi Diadaptasi untuk Digunakan dalam Pencitraan Seluruh Tubuh
Proses dan struktur dalam tubuh yang biasanya tersembunyi dari mata dapat dibuat terlihat melalui pencitraan medis. Para ilmuwan menggunakan pencitraan untuk menyelidiki fungsi kompleks sel dan organ dan mencari cara untuk mendeteksi dan mengobati penyakit dengan lebih baik. Dalam praktik medis sehari-hari, gambar dari tubuh membantu dokter mendiagnosis penyakit dan memantau apakah terapi berhasil. Untuk dapat menggambarkan proses tertentu dalam tubuh, para peneliti sedang mengembangkan teknik baru untuk pelabelan sel atau molekul sehingga mereka memancarkan sinyal yang dapat dideteksi di luar tubuh dan diubah menjadi gambar yang bermakna. Sebuah tim peneliti di Universitas Münster kini telah mengadaptasi strategi pelabelan sel yang saat ini digunakan dalam mikroskop — yang disebut teknologi SNAP-tag — untuk digunakan dalam pencitraan seluruh tubuh dengan positron emission tomography (PET).
Metode ini memberi label sel dalam dua langkah yang bekerja untuk jenis sel yang sama sekali berbeda seperti tumor dan sel inflamasi. Pertama, sel-sel dimodifikasi secara genetik untuk menghasilkan di permukaannya, yang disebut enzim SNAP-tag yang unik untuk sel yang ditargetkan. Enzim kemudian dibawa ke dalam kontak dengan substrat SNAP-tag yang sesuai. Substrat diberi label dengan pemancar sinyal dan terstruktur secara kimia sehingga dikenali dan dipecah oleh enzim yang memungkinkan pemancar sinyal ditransfer ke enzim. Dalam prosesnya, enzim dimodifikasi sehingga tidak lagi aktif dan, sebagai akibatnya, pemancar sinyal tetap terikat erat dengannya. Menurut para peneliti, enzim SNAP-tag melabeli dirinya sendiri melalui aktivitas biologisnya — ini terjadi dengan sangat cepat dan tanpa mengganggu proses alami dalam organisme.
Dalam mikroskop, pewarna fluoresen digunakan untuk memberi label pada sel, tetapi sebagian besar tidak cocok untuk pencitraan seluruh tubuh karena sinyalnya tersebar oleh lapisan jaringan yang lebih tebal sehingga tidak dapat diukur lagi. Untuk mengatasi masalah ini, para ilmuwan mensintesis substrat SNAP-tag baru menggunakan pemancar sinyal radioaktif fluor-18. Tim telah berhasil memberi label sel tumor pada tikus dengan menyuntikkan substrat ini ke dalam organisme melalui aliran darah. Mereka kemudian dapat memvisualisasikan tumor menggunakan pencitraan PET.
Teknologi ini membuka prospek untuk memvisualisasikan sel-sel yang dikodekan secara genetik dalam tubuh dengan modalitas pencitraan yang berbeda dan pada tahap temporal yang berbeda - para peneliti menyebutnya pencitraan multi-skala. Meskipun sinyal radioaktif dari fluor-18 tetap stabil hanya untuk waktu yang singkat, langkah pelabelan kedua dapat diulang, sehingga sel yang sama dapat divisualisasikan lagi dan lagi selama berhari-hari dan berminggu-minggu.
Tingkat detail yang tinggi yang disediakan oleh mikroskop memungkinkan untuk mempelajari bagaimana sel-sel individu berkomunikasi satu sama lain. Tampilan gambaran besar yang disediakan oleh pencitraan seluruh tubuh memungkinkan para ilmuwan untuk menilai bagaimana sel-sel ini berfungsi sebagai bagian dari sistem organ secara keseluruhan. Waktu dapat mengungkapkan peran apa yang dimainkan tipe sel individu dalam peradangan, misalnya, saat dimulai, berlanjut, dan teratasi. Para peneliti mengatakan bahwa dengan menggabungkan semua informasi ini, seseorang dapat memahami bagaimana segala sesuatu terhubung di dalam tubuh.
Langkah penting berikutnya adalah menguji berapa banyak sel yang diperlukan untuk mendapatkan sinyal yang cukup kuat dan apakah metode ini juga dapat digunakan untuk memvisualisasikan sel yang bergerak di 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-sel kekebalan tubuh sendiri dimodifikasi secara genetik di laboratorium sehingga mereka dapat memerangi penyakit tertentu. Terapi tersebut sudah digunakan untuk pengobatan kanker dan memiliki potensi untuk membantu mengobati penyakit inflamasi juga. Pencitraan dapat membantu mengembangkan dan meningkatkan perawatan tersebut.
Ketika para ilmuwan mempresentasikan hasil mereka untuk pertama kalinya di simposium ilmiah, mereka terkejut — rekan-rekan dari Tübingen mempresentasikan penelitian serupa di sana pada waktu yang sama. Secara independen satu sama lain, kedua tim peneliti memiliki ide dasar yang sama, substrat SNAP-tag berlabel fluor-18. Secara kimiawi, mereka menerapkan ide tersebut secara berbeda, tetapi mereka menguji substrat yang dihasilkan menggunakan sistem model biologis yang sama dan sampai pada temuan yang serupa. Tim Tübingen sedang mengembangkan metode pelabelan baru untuk mempelajari sel kekebalan pada kanker, sementara tim di Münster berfokus pada penyakit inflamasi, sehingga penelitian ini saling melengkapi dengan sangat baik.
Seperti semua substrat SNAP-tag, molekul yang baru dikembangkan ini didasarkan pada benzilguanin, di mana para ilmuwan menempelkan isotop radioaktif fluorin-18, yang pada gilirannya cocok untuk pencitraan PET. Tujuannya adalah untuk merancang sintesis dalam beberapa langkah cepat untuk mendapatkan sinyal sekuat mungkin. Karena fluor-18 memiliki waktu paruh yang pendek, radioaktivitasnya berkurang setengahnya setiap 110 menit. Awalnya, para ilmuwan menemukan bahwa fluor-18 tidak menempel pada posisi yang diinginkan pada molekul. Benzilguanin tampaknya terlalu sensitif untuk diberi label langsung dengan fluor-18. Jadi, para peneliti pertama-tama memberi label pada molekul kecil yang tidak sensitif terhadap reaksi kimia yang diperlukan — fluoroethylazide — dan kemudian menempelkannya ke benzilguanin menggunakan reaksi klik, yang sangat cepat dan selektif.
Para ilmuwan pertama-tama memeriksa apakah substrat yang disintesis tetap stabil ketika bersentuhan dengan darah dalam tabung reaksi dan kemudian memeriksa bagaimana sel-sel berinteraksi dengan substrat dalam tes praktis pertama dalam kultur sel. Dalam melakukannya, mereka membandingkan sel-sel tumor manusia di mana mereka secara genetik memasukkan enzim SNAP-tag dengan yang tidak menghasilkan enzim. Mereka dapat melihat dengan sangat jelas bahwa radioaktivitas hanya diambil oleh sel-sel yang menghasilkan enzim SNAP-tag. Akhirnya, tim melakukan studi yang ditargetkan pada tikus individu karena bagaimana molekul berperilaku dalam lingkungan biologis yang kompleks dalam organisme hidup tidak dapat sepenuhnya disimulasikan dalam kultur sel atau dengan organ yang diproduksi secara artifisial. Para ilmuwan mampu menunjukkan bahwa begitu substrat disuntikkan ke dalam aliran darah, ia didistribusikan ke seluruh tubuh dengan sangat cepat. Selain itu, mereka mengidentifikasi jalur di mana ia dikeluarkan. Mereka kemudian membandingkan bagaimana sel tumor dengan dan tanpa enzim SNAP-tag bereaksi terhadap substrat dalam organisme hidup. Untuk tujuan ini, sel-sel tumor disuntikkan di bawah kulit tikus dan diangkat kembali setelah pemeriksaan untuk memastikan hasil dengan autoradiografi.
