Naučnici često označavaju ćelije proteinima koji sijaju, omogućavajući im da prate rast tumora ili mere promene u ekspresiji gena koje se javljaju kako se ćelije diferenciraju.
Iako ova tehnika dobro funkcioniše u ćelijama i nekim tkivima tela, bilo je teško primeniti ovu tehniku na slike struktura duboko u mozgu, jer se svetlost raspršuje previše pre nego što se može detektovati.
Inženjeri MIT-a su sada smislili novi način da detektuju ovu vrstu svetlosti, poznatu kao bioluminiscencija, u mozgu: oni su konstruisali krvne sudove mozga da eksprimiraju protein koji uzrokuje njihovo širenje u prisustvu svetlosti. Ta dilatacija se zatim može posmatrati magnetnom rezonancom (MRI), omogućavajući istraživačima da precizno odrede izvor svetlosti.
„Dobro poznati problem sa kojim se suočavamo u neuronauci, kao i u drugim oblastima, je da je veoma teško koristiti optičke alate u dubokom tkivu. Jedan od osnovnih ciljeva naše studije bio je da pronađemo način za snimanje bioluminiscentnih molekula. u dubokom tkivu sa razumno visokom rezolucijom“, kaže Alan Jasanoff, profesor biološkog inženjerstva, mozga i kognitivnih nauka, nuklearne nauke i inženjerstva na MIT-u.
Nova tehnika koju su razvili Jasanoff i njegove kolege mogla bi omogućiti istraživačima da istraže unutrašnje funkcionisanje mozga detaljnije nego što je to ranije bilo moguće.
Jasanoff, koji je takođe istraživač saradnik na MIT-ovom McGovern institutu za istraživanje mozga, viši je autor studije, koja je objavljena danas (10. maja) u Nature Biomedical Engineering. Bivši postdoktori MIT-a Robert Ohlendorf i Nan Li su vodeći autori rada.
Bioluminiscentni proteini se nalaze u mnogim organizmima, uključujući meduze i krijesnice. Naučnici koriste ove proteine za obeležavanje specifičnih proteina ili ćelija, čiji se sjaj može detektovati luminometrom. Jedan od proteina koji se često koristi u ovu svrhu je luciferaza, koja dolazi u različitim oblicima koji sijaju u različitim bojama.
Jasanoffova laboratorija, koja je specijalizovana za razvoj novih načina za snimanje mozga pomoću MRI, želela je da pronađe način da otkrije luciferazu duboko u mozgu. Da bi to postigli, smislili su metod za transformaciju krvnih sudova mozga u detektore svetlosti. Popularni oblik MRI radi tako što prikazuje promene u protoku krvi u mozgu, tako da su istraživači sami konstruisali krvne sudove da reaguju na svetlost širenjem.
„Krvni sudovi su dominantan izvor kontrasta u funkcionalnoj magnetnoj rezonanciji i drugim neinvazivnim tehnikama snimanja, pa smo mislili da možemo pretvoriti intrinzičnu sposobnost ovih tehnika da slikaju krvne sudove u sredstvo za snimanje svetlosti, fotosenzibilizacijom samih krvnih sudova. “, kaže Jasanoff.
Da bi krvni sudovi učinili osetljivim na svetlost, istraživač ih je konstruisao da eksprimiraju bakterijski protein nazvan Beggiatoa fotoaktivirana adenilat ciklaza (bPAC). Kada je izložen svetlosti, ovaj enzim proizvodi molekul zvan cAMP, koji izaziva širenje krvnih sudova.
Kada se krvni sudovi prošire, to menja ravnotežu oksigenisanog i deoksigenisanog hemoglobina, koji imaju različita magnetna svojstva. Ovaj pomak u magnetnim svojstvima može se otkriti MRI.
BPAC posebno reaguje na plavo svetlo, koje ima kratku talasnu dužinu, tako da detektuje svetlost koja se generiše u bliskom dometu. Istraživači su koristili virusni vektor da isporuče gen za bPAC posebno u ćelije glatkih mišića koje čine krvne sudove. Kada je ovaj vektor ubrizgan pacovima, krvni sudovi u velikom delu mozga postali su osetljivi na svetlost.
„Krvni sudovi formiraju mrežu u mozgu koja je izuzetno gusta. Svaka ćelija u mozgu je unutar nekoliko desetina mikrona od krvnog suda“, kaže Jasanoff. „Način na koji volim da opišem naš pristup je da u suštini pretvaramo vaskulaturu mozga u trodimenzionalnu kameru.“
Kada su krvni sudovi postali osetljivi na svetlost, istraživači su implantirali ćelije koje su konstruisane da eksprimiraju luciferazu ako je prisutan supstrat koji se zove CZT. Kod pacova, istraživači su uspeli da otkriju luciferazu snimanjem mozga pomoću MRI, što je otkrilo proširene krvne sudove.
Istraživači su zatim testirali da li njihova tehnika može da otkrije svetlost koju proizvode sopstvene ćelije mozga, ako su projektovane da eksprimiraju luciferazu. Oni su isporučili gen za vrstu luciferaze zvanu GLuc ćelijama u dubokoj regiji mozga poznatom kao striatum. Kada je CZT supstrat ubrizgan u životinje, magnetna rezonanca je otkrila mesta gde je svetlost emitovana.
Ova tehnika, koju su istraživači nazvali bioluminiscencijom pomoću hemodinamike, ili BLUsH, mogla bi se koristiti na različite načine kako bi pomogla naučnicima da saznaju više o mozgu, kaže Jasanoff.
Kao prvo, može se koristiti za mapiranje promena u ekspresiji gena, povezivanjem ekspresije luciferaze sa specifičnim genom. Ovo bi moglo pomoći istraživačima da posmatraju kako se ekspresija gena menja tokom embrionalnog razvoja i diferencijacije ćelija, ili kada se formiraju nova sećanja. Luciferaza se takođe može koristiti za mapiranje anatomskih veza između ćelija ili za otkrivanje načina na koji ćelije komuniciraju jedna sa drugom.
Istraživači sada planiraju da istraže neke od tih aplikacija, kao i da prilagode tehniku za upotrebu kod miševa i drugih životinjskih modela.
