Прозорість тканин In Vivo
Михайло Інюшин
1 Кафедра фізіології, Центральний університет Карібе, Баямон, PR 00960, США
Дарія Мешалкіна
2 Інститут еволюційної фізіології та біохімії імені Сеченова, Санкт-Петербург 194064, Росія
Лідія Зуєва
1 Кафедра фізіології, Центральний університет Карібе, Баямон, PR 00960, США
Астрід Заяс-Сантьяго
1 Кафедра фізіології, Центральний університет Карібе, Баямон, PR 00960, США
Анотація
Прозорість тканин in vivo у спектрі видимого світла є корисною для багатьох дослідницьких застосувань, які використовують оптичні методи, незалежно від того, включає вони in vivo оптичне зображення клітин або їх активність, або оптичне втручання для впливу на клітини або їх діяльність глибоко всередині тканин, таких як тканини мозку . Класичний погляд полягає в тому, що тканина є прозорою, якщо вона ні поглинає, ні розсіює світло, і, отже, поглинання та розсіювання є ключовими елементами, які слід контролювати для досягнення необхідної прозорості. Цей огляд зосереджений на новітніх генетичних та хімічних підходах для знебарвлення тканинних пігментів для зменшення видимого поглинання світла та методах зменшення розсіювання в живих тканинах. Ми також обговорюємо можливі молекули, що беруть участь у прозорості.
1. Вступ
Багато тварин мають прозорі тканини або повністю прозорі у своєму повсякденному житті. Деякі навіть можуть стати повністю прозорими за бажанням, наприклад, деякі головоногі молюски, які змінюють адсорбцію світла на шкірі (Zylinski and Johnsen, 2011) [1], залежно від сигналів глибини зображення та спрямованого освітлення (Zylinski et al., 2016) [ 2]. Тварини з природною прозорістю мають значні переваги для досліджень, розширюючи спектр можливостей застосування різних оптичних методів (Fetcho and O'Malley, 1995; O'Malley et al., 2003; White et al., 2008; Bin and Lyons, 2016; Antinucci and Hindges, 2016; Harrison et al., 2016; Nicolson, 2017; Saleem and Kannan, 2018) [3,4,5,6,7,8,9,10]. Навіть якщо тварина загалом не є прозорою, вона, як правило, має спеціалізовані живі прозорі клітини, принаймні у зоровій системі тварини, і цю прозорість клітин можна спеціально проаналізувати (Zayas et al., 2018) [11]. Виникають запитання: Чому одні живі клітини прозорі, а інші ні? Чи можемо ми підтримувати живі клітини, роблячи їх прозорими in vivo для технічних цілей? Чи можемо ми зробити тварин прозорими або хоча б частково прозорими або розвинути прозорі тканини та органи тварин in vivo?
Класичний погляд полягає в тому, що тканина є прозорою, якщо вона ні поглинає, ні розсіює світло. Таким чином, поглинання та розсіювання є ключовими елементами, які слід контролювати, щоб досягти необхідної прозорості тканин.
За винятком кількох пігментів, більшість органічних молекул у клітині не здатні поглинати видиме світло. Таким чином, (1) елімінація цих пігментів зменшить абсорбцію і тим самим дасть забарвлення. Цього можна досягти хімічним шляхом додаванням реакційноздатних речовин, які усувають специфічні пігменти, або генетично шляхом виявлення специфічних мутацій, які порушують біосинтез пігменту. Після елімінації пігментів основною причиною будь-якої непрозорості органічних тканин є розсіювання світла (Brunsting and Mullaney, 1974; Tardieu and Delaye, 1988) [12,13].
2. Методи зменшення поглинання світла
2.1. Хімічне забарвлення пігментів
2.2. Генетичний підхід до видалення пігментів
3. Методи зменшення розсіювання світла
3.1. Хімічне зменшення розсіювання In Vivo
3.2. Генетичний підхід до зменшення розсіювання
Як ми вже згадували, існує невідповідність РІ між цитоплазмою та клітинними органелами, а також між клітинами та інтерстиціальною рідиною, яка виробляє оптичне розсіювання живою тканиною, а ОЦА, що надходить у цитоплазму, може зменшити це невідповідність. Однак замість доставки зовнішнього синтетичного ОСА до тканини він може синтезуватися самою клітиною. Виникає запитання: Які ендогенні ОСА використовуються в природі, щоб зробити тканини тварин прозорими (наприклад, прозору тканину ока), і як ми можемо генетично маніпулювати та концентрувати цю речовину в клітині? В даний час більшість опублікованих досліджень намагаються спочатку ідентифікувати природний ОКА та його відповідні гени синтезу, щоб можна було застосувати генетичний підхід, і існує два основних молекулярних класи ендогенних ОКА, які були визначені.
3.2.1. Глікозаміноглікани та антифризні білки в рибі
3.2.2. Кристаліни
Клітини в оптичному тракті хребетних переважно прозорі. Конкретні маломолекулярні розчинні білки, які називаються кристалінами (завдяки кристалічній лінзі), містяться в особливо великій кількості в цитоплазмі багатьох клітин оптичного тракту хребетних. Велика кількість кристалінів була виявлена в цитоплазмі клітин рогівки як в епітеліальних клітинах рогівки, так і в стромальних кератоцитах (Krishnan et al., 2007; Jester, 2008) [69,70]. Подібним чином кристаліни рясніють у цитоплазмі сильно витягнутих клітин клітковини хребетних кришталиків та клітин епітелію кришталика (Delaye and Tardieu, 1983; Horwitz et al., 1999; Andley et al., 2009) [71,72,73] . У сітківці кристали з молекулярною масою 23 кДа (що відповідає як αA-, так і αB-кристаліну) були описані в клітинах Мюллера жаби (ануран) (Simirskiĭ et al., 2003) [74], і було виявлено αA-кристалін у фоторецепторних клітинах мишей і щурів (Deretic et al., 1994; Maeda et al., 1999) [75,76]. Нещодавно ми описали кристалічний α, а особливо αA-кристалін, всередині клітин Мюллера щурів та фоторецепторів (Zayas-Santiago et al., 2018) [11].