Βρείτε μας στο Google News. Πατήστε εδώ!Οι επιστήμονες συχνά επισημαίνουν τα κύτταρα με πρωτεΐνες που λάμπουν, επιτρέποντάς τους να παρακολουθούν την ανάπτυξη ενός όγκου ή να μετρούν τις αλλαγές στη γονιδιακή έκφραση που συμβαίνουν καθώς τα κύτταρα διαφοροποιούνται. Ενώ αυτή η τεχνική λειτουργεί καλά σε κύτταρα και ορισμένους ιστούς του σώματος, ήταν δύσκολο να εφαρμοστεί αυτή η τεχνική σε δομές εικόνας βαθιά μέσα στον εγκέφαλο, επειδή το φως διασκορπίζεται πάρα πολύ πριν μπορέσει να ανιχνευθεί.
Οι μηχανικοί του MIT βρήκαν τώρα έναν νέο τρόπο για να ανιχνεύσουν αυτό το είδος φωτός, γνωστό ως βιοφωταύγεια, στον εγκέφαλο: Κατασκεύασαν τα αιμοφόρα αγγεία του εγκεφάλου για να εκφράζουν μια πρωτεΐνη που τα κάνει να διαστέλλονται παρουσία φωτός. Αυτή η διαστολή μπορεί στη συνέχεια να παρατηρηθεί με μαγνητική τομογραφία (MRI), επιτρέποντας στους ερευνητές να εντοπίσουν την πηγή του φωτός.
“Ένα γνωστό πρόβλημα που αντιμετωπίζουμε στη νευροεπιστήμη, καθώς και σε άλλους τομείς, είναι ότι είναι πολύ δύσκολο να χρησιμοποιήσουμε οπτικά εργαλεία σε βαθύ ιστό. Ένας από τους βασικούς στόχους της μελέτης μας ήταν να βρούμε έναν τρόπο απεικόνισης μορίων βιοφωταύγειας σε βαθύ ιστό με αρκετά υψηλή ανάλυση”, λέει ο Alan Jasanoff, καθηγητής βιολογικής μηχανικής, εγκεφάλου και γνωστικών επιστημών και πυρηνικής επιστήμης και μηχανικής στο MIT.
Η νέα τεχνική που αναπτύχθηκε από τον Jasanoff και τους συναδέλφους του θα μπορούσε να επιτρέψει στους ερευνητές να εξερευνήσουν τις εσωτερικές λειτουργίες του εγκεφάλου με περισσότερες λεπτομέρειες από ό, τι ήταν προηγουμένως δυνατό.
Ο Jasanoff, ο οποίος είναι επίσης συνεργάτης ερευνητής στο McGovern Institute for Brain Research του MIT, είναι ο ανώτερος συγγραφέας της μελέτης, η οποία δημοσιεύτηκε σήμερα (10 Μαΐου) στο Nature Biomedical Engineering. Οι πρώην μεταδιδάκτορες του MIT Robert Ohlendorf και Nan Li είναι οι κύριοι συγγραφείς της εργασίας.
Ανίχνευση φωτός
Οι βιοφωταύγιες πρωτεΐνες βρίσκονται σε πολλούς οργανισμούς, όπως οι μέδουσες και οι πυγολαμπίδες. Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν αυτές τις πρωτεΐνες για να επισημάνουν συγκεκριμένες πρωτεΐνες ή κύτταρα, των οποίων η λάμψη μπορεί να ανιχνευθεί από ένα φωτόμετρο. Μία από τις πρωτεΐνες που χρησιμοποιούνται συχνά για το σκοπό αυτό είναι η λουσιφεράση, η οποία διατίθεται σε διάφορες μορφές που λάμπουν σε διαφορετικά χρώματα.
Το εργαστήριο του Jasanoff, το οποίο ειδικεύεται στην ανάπτυξη νέων τρόπων απεικόνισης του εγκεφάλου χρησιμοποιώντας μαγνητική τομογραφία, ήθελε να βρει έναν τρόπο ανίχνευσης της λουσιφεράσης βαθιά μέσα στον εγκέφαλο. Για να το πετύχουν αυτό, βρήκαν μια μέθοδο για τη μετατροπή των αιμοφόρων αγγείων του εγκεφάλου σε ανιχνευτές φωτός. Μια δημοφιλής μορφή μαγνητικής τομογραφίας λειτουργεί απεικονίζοντας τις αλλαγές στη ροή του αίματος στον εγκέφαλο, έτσι οι ερευνητές κατασκεύασαν τα ίδια τα αιμοφόρα αγγεία ώστε να ανταποκρίνονται στο φως διαστέλλοντας.
«Τα αιμοφόρα αγγεία είναι μια κυρίαρχη πηγή απεικόνισης αντίθεσης στη λειτουργική μαγνητική τομογραφία και σε άλλες μη επεμβατικές τεχνικές απεικόνισης, επομένως σκεφτήκαμε ότι θα μπορούσαμε να μετατρέψουμε την εγγενή ικανότητα αυτών των τεχνικών να απεικονίζουν τα αιμοφόρα αγγεία σε μέσο απεικόνισης φωτός, φωτοευαισθητοποιώντας τα ίδια τα αιμοφόρα αγγεία.», λέει ο Jasanoff.
Για να κάνει τα αιμοφόρα αγγεία ευαίσθητα στο φως, ο ερευνητής τα κατασκεύασε ώστε να εκφράζουν μια βακτηριακή πρωτεΐνη που ονομάζεται φωτοενεργοποιημένη αδενυλική κυκλάση Beggiatoa (bPAC). Όταν εκτίθεται στο φως, αυτό το ένζυμο παράγει ένα μόριο που ονομάζεται cAMP, το οποίο προκαλεί διαστολή των αιμοφόρων αγγείων. Όταν τα αιμοφόρα αγγεία διαστέλλονται, μεταβάλλει την ισορροπία της οξυγονωμένης και της αποξυγονωμένης αιμοσφαιρίνης, οι οποίες έχουν διαφορετικές μαγνητικές ιδιότητες. Αυτή η μετατόπιση στις μαγνητικές ιδιότητες μπορεί να ανιχνευθεί με μαγνητική τομογραφία.
Το BPAC ανταποκρίνεται ειδικά στο μπλε φως, το οποίο έχει μικρό μήκος κύματος, επομένως ανιχνεύει το φως που παράγεται σε κοντινή απόσταση. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν έναν ιικό φορέα για να παραδώσουν το γονίδιο του bPAC ειδικά στα λεία μυϊκά κύτταρα που αποτελούν τα αιμοφόρα αγγεία. Όταν αυτός ο φορέας εγχύθηκε σε αρουραίους, τα αιμοφόρα αγγεία σε μια μεγάλη περιοχή του εγκεφάλου έγιναν ευαίσθητα στο φως.
“Τα αιμοφόρα αγγεία σχηματίζουν ένα δίκτυο στον εγκέφαλο που είναι εξαιρετικά πυκνό. Κάθε κύτταρο στον εγκέφαλο βρίσκεται σε απόσταση δύο δώδεκα μικρομέτρων από ένα αιμοφόρο αγγείο”, λέει ο Jasanoff. «Ο τρόπος που μου αρέσει να περιγράφω την προσέγγισή μας είναι ότι ουσιαστικά μετατρέπουμε τα αγγεία του εγκεφάλου σε μια τρισδιάστατη κάμερα».
Μόλις τα αιμοφόρα αγγεία ευαισθητοποιήθηκαν στο φως, οι ερευνητές εμφύτευσαν κύτταρα που είχαν κατασκευαστεί για να εκφράζουν τη λουσιφεράση εάν υπάρχει ένα υπόστρωμα που ονομάζεται CZT. Στους αρουραίους, οι ερευνητές μπόρεσαν να ανιχνεύσουν τη λουσιφεράση απεικονίζοντας τον εγκέφαλο με μαγνητική τομογραφία, η οποία αποκάλυψε διεσταλμένα αιμοφόρα αγγεία.
Παρακολούθηση αλλαγών στον εγκέφαλο
Οι ερευνητές στη συνέχεια εξέτασαν εάν η τεχνική τους θα μπορούσε να ανιχνεύσει το φως που παράγεται από τα ίδια τα κύτταρα του εγκεφάλου, εάν είχαν σχεδιαστεί για να εκφράζουν τη λουσιφεράση. Παρέδωσαν το γονίδιο για έναν τύπο λουσιφεράσης που ονομάζεται GLuc σε κύτταρα σε μια βαθιά περιοχή του εγκεφάλου που είναι γνωστή ως ραβδωτό σώμα. Όταν το υπόστρωμα CZT εγχύθηκε στα ζώα, η απεικόνιση μαγνητικής τομογραφίας αποκάλυψε τα σημεία όπου είχε εκπέμπεται φως.
