Ежегодно у около 20 миллионов человек впервые диагностируется рак, и почти 10 миллионов человек умирают. Хотя нарушение функций белков является основной причиной злокачественных новообразований, нарушающих клеточный гомеостаз, связь между генетическими аномалиями и раком хорошо известна в области исследований рака. До сих пор профилактика рака была сосредоточена на уменьшении негативных последствий изменений генов. Однако в химиопрофилактике наблюдается растущая тенденция к изменению белков, кодируемых этими поврежденными генами. Например, белок BRCA1 помогает восстанавливать повреждения ДНК, что играет роль в подавлении опухоли. У менее функциональных людей BRCA1 развивается повышенная генетическая нестабильность, что увеличивает риск индукции рака.
Анализ одиночных частиц и криотомография являются двумя примерами семейства методов криоэлектронной микроскопии (крио-ЭМ), используемых для получения структурных данных высокого разрешения для биологических систем. При криоЭМ растворы образцов быстро замораживаются, чтобы сохранить естественную структуру образцов и предотвратить образование кристаллического льда. Это вызывает суспензию отдельных белков, ориентированных под разными случайными углами внутри льда, что и наблюдается при одночастичном анализе. Затем белки визуализируются с помощью криотрансмиссионного электронного микроскопа (крио-ТЕМ), создавая сотни двумерных проекций образца. Объединение этих проекций может затем создать трехмерную модель белка с высоким разрешением. Атомное разрешение возможно и становится все более доступным благодаря современным детекторам электронов и аналитическим инструментам.
Комбинируя крио-ЭМ и 3D-реконструкцию, за последние несколько лет был достигнут ряд значительных достижений в структурной биологии. Развитие аппаратного и программного обеспечения стало основным фактором в развитии крио-ЭМ. Устройство записи изображений и электронный микроскоп являются примерами аппаратного обеспечения; Методы 3D-реконструкции и обработка данных изображений являются примерами программного обеспечения.
Data Bridge Market Research анализирует темпы роста мирового рынка криоэлектронной микроскопии в прогнозируемом периоде 2022-2029 годов. Ожидаемый среднегодовой темп мирового рынка криоэлектронной микроскопии, как правило, составит около 8,67% в указанный прогнозный период. В 2021 году рынок оценивался в 725,43 миллиона долларов США, а к 2029 году он вырастет до 1410,82 миллиона долларов США. Мировой рынок криоэлектронной микроскопии сегментирован по типу, типу продукта, компонентам и применению.
Чтобы узнать больше об исследовании, посетите: https://www.databridgemarketresearch.com/ru/reports/global-cryo-electron-microscope-market
Краткое описание концепции
Все более распространенным становится использование криоэлектронной микроскопии (крио-ЭМ) для изучения молекулярной архитектуры белковых сборок, вирусов и организмов. На этой странице основное внимание уделяется нескольким аспектам крио-ЭМ, включая ее преимущества и недостатки, применение, отличие от методов ЭМ, а также недавние исследования с использованием технологии крио-ЭМ. Термин «криоЭМ» относится к типу электромагнитной визуализации (ЭМ), при которой чувствительные к радиации образцы визуализируются с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ПЭМ) в криогенных условиях. Термин «крио-ЭМ» часто используется для обозначения нескольких экспериментальных методов, включая криоэлектронную томографию, электронную кристаллографию и одночастичную крио-ЭМ.
Каждый метод крио-ЭМ может использоваться независимо или как часть гибридных подходов, которые объединяют данные крио-ЭМ с дополнительными данными методов рентгеновской кристаллографии и спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Для визуализации биологических образцов, включая бактерии, замороженные клетки и срезы целых тканей, криоЭМ становятся все более доступными и значительно более простыми в эксплуатации.
В настоящее время исследователи используют крио-ЭМ для помощи в своей работе над раком, развивая дисциплину «структурная онкология», целью которой является использование структурной биологии для борьбы с раком. Аналитические возможности ЭМ крио-высокого разрешения способны изменить способ изучения онкологии учеными, обеспечив возможность целенаправленного наблюдения, анализа и, в конечном итоге, лечения.
ЭМ и Крио-ЭМ
Окрашивание, обезвоживание и химическая фиксация образцов используются в традиционных процедурах ЭМ для получения изображения. В ЭМ взаимодействие органического вещества и электронов наносит серьезный вред биологическим образцам. Напротив, поскольку крио-ЭМ не требует дополнительных методов визуализации, он сохраняет исходное гидратированное состояние образцов. Электронное облучение разрушает химические связи образцов, что приводит к образованию свободных радикалов, которые еще больше повреждают образцы. Низкие дозы электронов создают зашумленные изображения, хотя они могут помочь сохранить образцы за счет уменьшения радиационного повреждения.
Крио-ЭМ может эффективно решить эту проблему, поскольку для визуализации используются замороженные образцы, которые хранятся при температуре жидкого гелия или жидкого азота, что уменьшает повреждающее воздействие электронного облучения на образцы. Биологические образцы фотографируются при температуре жидкого гелия или жидкого азота после быстрого остеклования в слое льда, напоминающем стекло. Радиационное повреждение значительно уменьшается при температуре азота, что позволяет использовать большую дозу электронов для получения изображений с хорошим соотношением сигнал/шум. С помощью крио-ЭМ-метода можно получить трехмерные (3D) реконструкции образцов на околомолекулярном уровне в жидком азоте и гелии. Но как работает крио-ЭМ?
-
Замораживание- На сетку наносится образец, который затем замораживается в жидком этане и выдерживается в жидком азоте. Он должен замерзнуть достаточно быстро, чтобы не дать присутствующей воде образовать кристаллы льда. Ледяные решетки, вероятно, нанесут структурное повреждение материалу, поглощая электронный луч и затемняя изображение. Вода затвердевает в виде аморфного твердого вещества (стекловидный лед) и не кристаллизуется, если образец замораживается достаточно быстро.
-
Запись- На основе взаимодействия вещества с электронным лучом фиксируются изображения множества копий молекулы (или другого материала, например вирусов), подвешенных в случайной ориентации в стекловидном льду. Изображения с помощью более современных «детекторов прямых электронов» имеют более высокое качество, чем изображения, снятые предыдущими цифровыми камерами.
-
Обработка данных- Структура образца определяется путем объединения множества молекулярных точек зрения в трехмерную модель. Иногда среднее значение десятков тысяч или даже сотен тысяч изображений частиц составляет окончательное изображение или карту плотности. Снимаются сотни тысяч кадров в секунду, чтобы отслеживать движение частиц и предотвратить потерю разрешения.
Ранние применения крио-ЭМ были ограничены необходимостью использовать электронные лучи малой мощности для сохранения образца, что приводило к получению изображений с низким разрешением. Изображения высокого разрешения теперь можно создавать с меньшим количеством электронов благодаря достижениям в технологии прямого детектора электронов. Детектор прямых электронов — это камера, которая может быстро фотографировать одну молекулу со скоростью десятки кадров в секунду благодаря улучшенной способности обнаруживать электроны. Создание более совершенных методов обработки изображений также способствовало революции в крио-ЭМ. Такие алгоритмы необходимы для определения ориентации изображения и выравнивания изображений для методов, восстанавливающих трехмерное изображение из двухмерных изображений. Технологические усовершенствования снизили предельный размер образцов, которые можно заморозить, что позволяет анализировать отдельные белки после визуализации.
Преимущества технологии Cryo-EM
Спектроскопия ядерного магнитного резонанса и рентгеновская кристаллография были более ранними методами структурной биологии. Из-за требований к большому размеру выборки эти подходы имели лишь ограниченное применение. Для проведения рентгеновской кристаллографии образцы необходимо кристаллизовать — сложная процедура, которая изменяет окружающую среду на нефизиологическую.
Крио-ЭМ хорошо подходит для визуализации структур с почти атомным разрешением, поскольку не требует больших количеств образцов или кристаллизации. Этот подход также позволяет анализировать образец в его естественной физиологической среде, поскольку он не фиксирует и не окрашивает его химически. Кроме того, структуры могут быть мгновенно заморожены в различных конформациях, что позволяет сделать вывод о биологических системах без ограничения кристаллов, замораживающих образец в статической позе.
Тот факт, что интересующую молекулу не нужно кристаллизовать, является существенным преимуществом криоЭМ перед рентгеновской кристаллографией. Некоторые белки или важные макромолекулы просто не могут быть кристаллизованы; у других структура необратимо изменена в результате кристаллизации. В отличие от рентгеновской кристаллографии, которая позволяет определить только одну структуру, белки можно увидеть во всех их конформациях.
Образцы крио-ЭМ, в отличие от обычной электронной микроскопии, не обезвоживаются и не окрашиваются, поэтому их структура остается близкой к истинной форме гидратированной структуры в их естественной среде, без каких-либо ложных форм, создаваемых окрашиванием. Замораживание образцов снижает количество радиационных повреждений, которые могут возникнуть в результате электронного облучения. Замороженные образцы также с меньшей вероятностью будут повреждены в условиях низкого давления/вакуума электронного микроскопа.
Недостатки технологии Cryo-EM
Изображения часто имеют очень низкое соотношение сигнал/шум из-за отсутствия пятен и, следовательно, отсутствия контраста, что требует использования высокоразвитого оборудования для обнаружения и обработки изображений.
Подготовка образцов может оказаться сложной задачей, поскольку необходимо оптимизировать толщину льда и распределение частиц. Иногда белки могут принимать предпочтительную ориентацию, что делает невозможным трехмерную реконструкцию.
Самое современное крио-ЭМ оборудование по-прежнему непомерно дорого. Создание централизованных объектов может помочь расширить доступ к крио-ЭМ оборудованию. Крио-ЭМ, с другой стороны, неэффективен для визуализации очень маленьких белков, и для создания образцов изображений требуется много времени. Кроме того, этот метод требует очень высокой однородности образца, что усложняет получение изображений гибких белков с высоким разрешением. Кроме того, текущего разрешения крио-ЭМ недостаточно для фармацевтических исследований и разработок, поскольку изображения, полученные с помощью этого метода, в некоторых случаях имеют низкое соотношение сигнал/шум.
Последние применения технологии Cryo-EM
Криоэлектронная микроскопия, или криоЭМ, исследует образцы, замороженные при криогенных температурах, с использованием электронов. За последние пять лет этот метод стал популярным методом изучения структурной организации биологических образцов, иногда достигая разрешения, близкого к атомному.
Согласно статье, опубликованной в журнале Nature в прошлом году, криоэлектронные микроскопы «посылают толчки в области структурной биологии за последние три года. что ведущие журналы публикуются быстрыми темпами».
Популярность криоЭМ выросла до такой степени, что с помощью рентгеновской кристаллографии иногда можно визуализировать только определенные образцы, такие как вирусы и рибосомы. Крио-ЭМ визуализация теперь обеспечивает визуализацию структурных изменений в белке p97 с атомным разрешением. Поскольку структура и взаимодействие этого белка имеют решающее значение для активности раковых клеток, он является важной мишенью для разработки лекарств от рака.
Тип связывания ингибитора p97 и места контакта были обнаружены с использованием возможностей визуализации Cryo-advanced EM. В этом исследовании было достигнуто разрешение 2,3 нгстрем, при этом единица измерения нгстрем равна 0,1 нанометра. Благодаря нынешним достижениям в технологии детекторов и подготовке проб криоЭМ потенциально может улучшить дальнейшее разрешение.
Согласно анализу Data Bridge Market Research, к 2029 году рынок диагностики рака, как ожидается, достигнет стоимости в 28,21 миллиарда долларов США при среднегодовом темпе роста 7,29% в течение прогнозируемого периода. Рост числа случаев рака предоставляет рынку возможности роста. Растущие технологические достижения являются жизненно важным фактором, ускоряющим рост рынка, а также активизирующими инициативы, предпринимаемые правительствами и глобальными организациями здравоохранения для распространения информации о раке, растущий рост числа частных диагностических центров, рост государственно-частного партнерства для улучшения инфраструктуры диагностической визуализации. центры, растущая поддержка FDA разработки биомаркеров и растущий выпуск новых реагентов для проточной цитометрии для диагностики и открытия лекарств являются основными факторами, среди прочего, движущими рынком диагностики рака.
Чтобы узнать больше об исследовании, посетите: https://www.databridgemarketresearch.com/ru/reports/global-cancer-diagnostics-market
