Mokslininkai dažnai paženklina ląsteles švytinčiais baltymais, leidžiančiais sekti naviko augimą arba matuoti genų ekspresijos pokyčius, atsirandančius ląstelėms diferencijuojantis.
Nors šis metodas gerai veikia ląstelėse ir kai kuriuose kūno audiniuose, buvo sunku pritaikyti šią techniką vaizdų struktūroms giliai smegenyse, nes šviesa išsklaido per daug, kad ją būtų galima aptikti.
MIT inžinieriai dabar sugalvojo naują būdą aptikti tokio tipo šviesą, vadinamą bioliuminescencija, smegenyse: jie sukūrė smegenų kraujagysles, kad išreikštų baltymą, dėl kurio jie išsiplečia esant šviesai. Tada šis išsiplėtimas gali būti stebimas naudojant magnetinio rezonanso tomografiją (MRT), leidžiančią tyrėjams tiksliai nustatyti šviesos šaltinį.
„Gerai žinoma problema, su kuria susiduriame neurologijos ir kitose srityse, yra ta, kad labai sunku naudoti optinius įrankius giliuose audiniuose. Vienas iš pagrindinių mūsų tyrimo tikslų buvo sugalvoti būdą, kaip atvaizduoti bioliuminescencines molekules. giliuose audiniuose su pakankamai didele skiriamąja geba“, – sako Alanas Jasanoffas, MIT biologinės inžinerijos, smegenų ir pažinimo mokslų bei branduolinio mokslo ir inžinerijos profesorius.
Jasanoffo ir jo kolegų sukurta nauja technika leistų tyrėjams išsamiau, nei buvo įmanoma, ištirti vidinį smegenų darbą.
Jasanoffas, kuris taip pat yra MIT McGovern smegenų tyrimų instituto asocijuotasis tyrėjas, yra tyrimo, kuris buvo paskelbtas šiandien (gegužės 10 d.), vyresnysis autorius. Gamtos biomedicinos inžinerija. Pagrindiniai šio straipsnio autoriai yra buvę MIT postdocs Robert Ohlendorf ir Nan Li.
Šviesos aptikimas
Bioliuminescenciniai baltymai randami daugelyje organizmų, įskaitant medūzas ir ugniagesius. Mokslininkai naudoja šiuos baltymus, norėdami pažymėti specifinius baltymus ar ląsteles, kurių švytėjimą galima aptikti luminometru. Vienas iš dažnai šiam tikslui naudojamų baltymų yra luciferazė, kuri būna įvairių formų, kurios šviečia skirtingomis spalvomis.
Jasanoff laboratorija, kuri specializuojasi kuriant naujus būdus vaizduoti smegenis naudojant MRT, norėjo rasti būdą, kaip aptikti luciferazę giliai smegenyse. Norėdami tai pasiekti, jie sugalvojo būdą, kaip smegenų kraujagysles paversti šviesos detektoriais. Populiari MRT forma veikia vaizduojant smegenų kraujotakos pokyčius, todėl tyrėjai sukūrė pačias kraujagysles, kurios reaguotų į šviesą išsiplėsdamos.
„Kraujagyslės yra dominuojantis vaizdo kontrasto šaltinis atliekant funkcinius MRT ir kitus neinvazinius vaizdo gavimo metodus, todėl manėme, kad šių metodų gebėjimą vaizduoti kraujagysles galime paversti šviesos vaizdavimo priemone, fotosensibilizuojant pačias kraujagysles. “, – sako Jasanoffas.
Kad kraujagyslės būtų jautrios šviesai, mokslininkas sukūrė jas taip, kad ekspresuotų bakterinį baltymą, vadinamą Beggiatoa fotoaktyvuota adenilato ciklaze (bPAC). Veikiamas šviesos, šis fermentas gamina molekulę, vadinamą cAMP, dėl kurios išsiplečia kraujagyslės.
Kai kraujagyslės išsiplečia, pasikeičia deguonies prisotinto ir deguonies neturinčio hemoglobino, turinčio skirtingas magnetines savybes, pusiausvyra. Šį magnetinių savybių pokytį galima aptikti MRT.
BPAC specialiai reaguoja į mėlyną šviesą, kurios bangos ilgis yra trumpas, todėl aptinka šviesą, generuojamą iš arti. Tyrėjai panaudojo virusinį vektorių, kad pristatytų bPAC geną būtent į lygiųjų raumenų ląsteles, kurios sudaro kraujagysles. Kai šis vektorius buvo sušvirkštas žiurkėms, didelės smegenų srities kraujagyslės tapo jautrios šviesai.
„Kraujagyslės sudaro tinklą smegenyse, kuris yra ypač tankus. Kiekviena smegenų ląstelė yra per keliasdešimt mikronų kraujagyslės”, – sako Jasanoffas. „Man patinka apibūdinti mūsų požiūrį, kad mes iš esmės paverčiame smegenų kraujagysles trimate kamera.”
Kai kraujagyslės buvo jautrios šviesai, mokslininkai implantavo ląsteles, kurios buvo sukurtos taip, kad išreikštų luciferazę, jei yra substratas, vadinamas CZT. Žiurkėms tyrėjams pavyko aptikti luciferazę, vaizduojant smegenis MRT, kuri atskleidė išsiplėtusias kraujagysles.
Smegenų pokyčių stebėjimas
Tada mokslininkai išbandė, ar jų technika gali aptikti pačių smegenų ląstelių gaminamą šviesą, jei jos buvo sukurtos taip, kad išreikštų luciferazę. Jie perdavė tam tikros rūšies luciferazės, vadinamos GLuc, geną į ląsteles giliame smegenų regione, vadinamame striatum. Kai CZT substratas buvo švirkščiamas į gyvūnus, MRT vaizdavimas atskleidė vietas, kuriose buvo išspinduliuota šviesa.
Šis metodas, kurį mokslininkai pavadino bioliuminescenciniu vaizdu, naudojant hemodinamiką arba BLUsH, gali būti naudojamas įvairiais būdais, siekiant padėti mokslininkams sužinoti daugiau apie smegenis, sako Jasanoffas.
Pirma, jis gali būti naudojamas genų ekspresijos pokyčiams nustatyti, susiejant luciferazės ekspresiją su konkrečiu genu. Tai galėtų padėti mokslininkams stebėti, kaip keičiasi genų ekspresija embriono vystymosi ir ląstelių diferenciacijos metu arba kai susidaro nauji prisiminimai. Liuciferazė taip pat gali būti naudojama norint nustatyti anatominius ryšius tarp ląstelių arba atskleisti, kaip ląstelės bendrauja viena su kita.
Dabar mokslininkai planuoja ištirti kai kurias iš šių programų, taip pat pritaikyti techniką pelėms ir kitiems gyvūnų modeliams.
Ši istorija iš naujo paskelbta „MIT News“ (web.mit.edu/newsoffice/), populiarios svetainės, kurioje pateikiamos naujienos apie MIT tyrimus, inovacijas ir mokymą, dėka.