מהנדסי MIT פיתחו שיטה פורצת דרך מבוססת MRI לאיתור ביולוגיות במוח, המאפשרת הדמיה מדויקת של מבני מוח עמוקים ושיפור ההבנה של תפקודי המוח וביטוי גנים. (קונספט האמן.) קרדיט: twoday.co.il.com
טכניקת MRI חדשה שפותחה ב MIT מאפשר הדמיה מפורטת של ביולוגית עמוק בתוך המוח, ומציע תובנות חדשות לגבי האופן שבו תאי מוח מתפתחים ומתקשרים זה עם זה.
מדענים לעתים קרובות מתייגים תאים עם חלבונים זוהרים, המאפשרים להם לעקוב אחר הצמיחה של גידול, או למדוד שינויים בביטוי הגנים המתרחשים כשהתאים מתמיינים.
אמנם טכניקה זו פועלת היטב בתאים וברקמות מסוימות של הגוף, אך היה קשה ליישם את הטכניקה הזו על מבני תמונה עמוק בתוך המוח, מכיוון שהאור מתפזר יותר מדי לפני שניתן לזהות אותו.
מהנדסי MIT המציאו כעת דרך חדשנית לזהות סוג זה של אור, המכונה ביולוגית, במוח: הם הנדסו כלי דם של המוח כדי לבטא חלבון שגורם להם להתרחב בנוכחות אור. לאחר מכן ניתן לצפות בהרחבה זו באמצעות הדמיית תהודה מגנטית (MRI), המאפשרת לחוקרים לאתר את מקור האור.
"בעיה ידועה שאנו מתמודדים איתה במדעי המוח, כמו גם בתחומים אחרים, היא שקשה מאוד להשתמש בכלים אופטיים ברקמות עמוקות. אחת ממטרות הליבה של המחקר שלנו הייתה למצוא דרך לצלם מולקולות ביולוגיות ברקמות עמוקות ברזולוציה גבוהה למדי", אומר אלן ג'סנוף, פרופסור ב-MIT להנדסה ביולוגית, מדעי המוח והקוגניציה, ומדע והנדסה גרעינית.
הטכניקה החדשה שפיתחו ג'אסנוף ועמיתיו יכולה לאפשר לחוקרים לחקור את פעולתו הפנימית של המוח ביתר פירוט ממה שהיה אפשרי בעבר.
ג'סנוף, שהוא גם חוקר שותף במכון מקגוברן לחקר המוח של MIT, הוא הכותב הבכיר של המחקר, המופיע היום (10 במאי) ב טבע הנדסה ביו-רפואית. הפוסט-דוקטורנטים לשעבר של MIT רוברט אוהלנדורף ונאן לי הם המחברים הראשיים של המאמר.
דרך חדשה לזהות ביולוגית במוח משתמשת בהדמיית תהודה מגנטית (MRI). הטכניקה, שפותחה ב-MIT, יכולה לאפשר לחוקרים לחקור את פעולתו הפנימית של המוח ביתר פירוט מאשר בעבר. בתמונה נראים כלי דם שנראים כעת אדום בוהק לאחר התמרה עם גן שנותן להם רגישות לאור. קרדיט: באדיבות החוקרים
זיהוי אור
חלבונים ביולוגיים נמצאים באורגניזמים רבים, כולל מדוזות וגחליליות. מדענים משתמשים בחלבונים אלה כדי לתייג חלבונים או תאים ספציפיים, שניתן לזהות את הזוהר שלהם באמצעות מד luminometer. אחד החלבונים המשמשים לרוב למטרה זו הוא לוציפראז, המגיע במגוון צורות זוהרות בצבעים שונים.
המעבדה של ג'סנוף, המתמחה בפיתוח דרכים חדשות לדימוי המוח באמצעות MRI, רצתה למצוא דרך לזהות לוציפראז עמוק בתוך המוח. כדי להשיג זאת, הם המציאו שיטה להפיכת כלי הדם של המוח לגלאי אור. צורה פופולרית של MRI פועלת על ידי הדמיית שינויים בזרימת הדם במוח, ולכן החוקרים הנדסו את כלי הדם עצמם כך שיגיבו לאור על ידי הרחבתם.
"כלי דם הם מקור דומיננטי לניגודיות הדמיה ב-MRI פונקציונלי וטכניקות הדמיה לא פולשניות אחרות, לכן חשבנו שנוכל להמיר את היכולת הפנימית של טכניקות אלו לדימוי כלי דם לאמצעי להדמיית אור, על ידי פוטוסנסיטיזציה של כלי הדם עצמם ", אומר יאסנוף.
כדי להפוך את כלי הדם לרגישים לאור, החוקר הנדס אותם לבטא חלבון חיידקי הנקרא בגיאטואה photoactivated adenylate cyclase (bPAC). כאשר הוא נחשף לאור, אנזים זה מייצר מולקולה בשם cAMP, הגורמת לכלי דם להתרחב. כאשר כלי הדם מתרחבים, זה משנה את האיזון של המוגלובין מחומצן וחסר חמצן, בעלי תכונות מגנטיות שונות. ניתן לזהות שינוי זה בתכונות המגנטיות באמצעות MRI.
BPAC מגיב ספציפית לאור כחול, בעל אורך גל קצר, כך שהוא מזהה אור שנוצר בטווח קרוב. החוקרים השתמשו בוקטור ויראלי כדי להעביר את הגן ל-bPAC במיוחד לתאי השריר החלק המרכיבים את כלי הדם. כאשר הווקטור הזה הוזרק לחולדות, כלי דם ברחבי אזור גדול במוח הפכו לרגישים לאור.
"כלי דם יוצרים רשת במוח שהיא צפופה ביותר. כל תא במוח נמצא בטווח של כמה עשרות מיקרון מכלי דם", אומר ג'סנוף. "הדרך שבה אני אוהב לתאר את הגישה שלנו היא שאנחנו בעצם הופכים את כלי הדם של המוח למצלמה תלת מימדית."
לאחר שכלי הדם עברו רגישות לאור, החוקרים השתילו תאים שהונדסו לבטא לוציפראז אם קיים מצע בשם CZT. בחולדות, החוקרים הצליחו לזהות לוציפראז על ידי הדמיית המוח באמצעות MRI, שחשפה כלי דם מורחבים.
מעקב אחר שינויים במוח
לאחר מכן בדקו החוקרים אם הטכניקה שלהם יכולה לזהות אור המיוצר על ידי תאי המוח עצמו, אם הם הונדסו לבטא לוציפראז. הם העבירו את הגן לסוג של לוציפראז הנקרא GLuc לתאים באזור מוח עמוק המכונה הסטריאטום. כאשר מצע CZT הוזרק לבעלי החיים, הדמיית MRI חשפה את האתרים שבהם נפלט אור.
טכניקה זו, שאותה כינו החוקרים הדמיה ביולוגית באמצעות המודינמיקה, או BLUsH, יכולה לשמש במגוון דרכים כדי לעזור למדענים ללמוד יותר על המוח, אומר יאסנוף.
ראשית, ניתן להשתמש בו כדי למפות שינויים בביטוי הגנים, על ידי קישור הביטוי של לוציפראז לגן ספציפי. זה יכול לעזור לחוקרים לראות כיצד ביטוי גנים משתנה במהלך התפתחות עוברית והתמיינות תאים, או כאשר נוצרים זיכרונות חדשים. ניתן להשתמש בלוציפראז גם כדי למפות קשרים אנטומיים בין תאים או כדי לחשוף כיצד תאים מתקשרים זה עם זה.
החוקרים מתכננים כעת לחקור כמה מהיישומים הללו, כמו גם להתאים את הטכניקה לשימוש בעכברים ובמודלים אחרים של בעלי חיים.
המחקר מומן על ידי ארה"ב המכונים הלאומיים לבריאותקרן G. Harold and Leila Y. Mathers, Lore McGovern, Gardner Hendrie, Brendan Fikes, מלגה מקרן המחקר הגרמנית, מלגת Marie Sklodowska-Curie מהאיחוד האירופי, ומלגת Y. Eva Tan ומלגת J. מלגת Douglas Tan, שניהם ממכון McGovern לחקר המוח.
