تصویربرداری دقیق اعماق مغز با تکنیک جدید نوری

یک تکنیک جدید MRI امکان تصویربرداری دقیق از بیولومینسانس در اعماق مغز را فراهم می‌کند و بینش جدیدی را در مورد چگونگی رشد سلول‌های مغز و برقراری ارتباط با یکدیگر ارائه می‌دهد.

به گزارش تکناک، دانشمندان اغلب سلول‌ها را با پروتئین‌هایی که می‌درخشند، نشانه‌گذاری می‌کنند که این کار به آنها اجازه می‌دهد رشد تومور را ردیابی کنند یا تغییرات فعالیت ژن را که با تمایز سلول‌ها رخ می‌دهد، اندازه‌گیری کنند.

در حالی که این تکنیک در سلول‌ها و برخی بافت‌های بدن به خوبی کار می‌کند، تاکنون استفاده از این تکنیک برای ساختارهای تصویری در اعماق مغز دشوار بوده است، زیرا نور قبل از اینکه قابل تشخیص باشد، بیش از حد پراکنده می‌شود.

مهندسان MIT اکنون راهی جدید برای تشخیص این نوع نور که معروف به بیولومینسانس است، در مغز ارائه کرده‌اند. آنها رگ‌های خونی مغز را طوری مهندسی کردند که پروتئینی را فعال کنند که باعث گشاد شدن آنها در حضور نور می‌شود. سپس این اتساع را می‌توان با تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI) مشاهده کرد که به محققان این امکان را می‌دهد که منبع نور را مشخص کنند.

آلن جاسانوف، یکی از نویسندگان این مطالعه گفت: مشکل شناخته شده‌ای که ما در علوم اعصاب و همچنین سایر زمینه‌ها با آن روبرو هستیم، این است که استفاده از ابزارهای نوری در بافت عمیق بسیار دشوار است. یکی از اهداف اصلی مطالعه ما یافتن راهی برای تصویربرداری از مولکول‌های بیولومنسنت در بافت عمیق با وضوح نسبتاً بالا بود.

تکنیک جدید توسعه یافته توسط جاسانوف و همکارانش می‌تواند محققان را قادر سازد تا عملکردهای درونی مغز را با جزئیات بیشتری نسبت به آنچه قبلا امکان پذیر بوده است، بررسی کنند.

این مطالعه که نویسنده ارشد آن جاسانوف است، در مجله Nature Biomedical Engineering منتشر شده است. رابرت اوهلندورف و نان لی، نویسندگان اصلی این مقاله هستند.

روش جدیدی برای تشخیص بیولومینسانس در مغز از تصویربرداری تشدید مغناطیسی یا MRI استفاده می‌کند. این تکنیک که در MIT توسعه یافته است، می‌تواند محققان را قادر سازد تا عملکردهای درونی مغز را با جزئیات بیشتری نسبت به آنچه قبلاً ممکن بود، بررسی کنند. در تصویر بالا، رگ‌های خونی دیده می‌شوند که اکنون پس از انتقال با ژنی که به آنها حساسیت به نور می‌دهد، قرمز روشن به نظر می‌رسند

فهرست مطالب

تشخیص نور

پروتئین‌های بیولومینسانس در بسیاری از ارگانیسم‌ها از جمله چتر دریایی و کرم شب‌تاب یافت می‌شوند. دانشمندان از این پروتئین‌ها برای نشانه‌گذاری پروتئین‌ها یا سلول‌های خاصی استفاده می‌کنند که درخشش آن‌ها را می‌توان با نور سنج تشخیص داد. یکی از پروتئین‌هایی که اغلب برای این منظور استفاده می‌شود، لوسیفراز است که به اشکال مختلف در رنگ‌های مختلف می‌درخشد.

جاسانوف که در توسعه روش‌های جدید برای تصویربرداری از مغز با استفاده از MRI تخصص دارد، می‌خواست راهی برای تشخیص لوسیفراز در عمق مغز پیدا کند. برای رسیدن به این هدف، او گروهش روشی برای تبدیل عروق خونی مغز به آشکارسازهای نور ارائه کردند. شکل محبوب MRI با تصویربرداری از تغییرات جریان خون در مغز کار می‌کند، بنابراین محققان خود رگ‌های خونی را طوری مهندسی کردند که با گشاد شدن به نور پاسخ دهند.

جاسانوف گفت: رگ‌های خونی منبع اصلی کنتراست تصویربرداری در MRI عملکردی و سایر تکنیک‌های تصویربرداری غیرتهاجمی هستند، بنابراین ما فکر کردیم که می‌توانیم توانایی ذاتی این تکنیک‌ها برای تصویربرداری از رگ‌های خونی را به وسیله‌ای برای تصویربرداری از نور، با حساس‌سازی نور رگ‌های خونی تبدیل کنیم.

برای حساس کردن رگ‌های خونی به نور، محققان آنها را طوری مهندسی کرد که پروتئین باکتریایی به نام آدنیلات سیکلاز فعال‌شده بگیاتوآ یا bPAC را فعال کنند. وقتی این آنزیم در معرض نور قرار می‌گیرد، مولکولی به نام cAMP تولید می‌کند که باعث گشاد شدن رگ‌های خونی می‌شود. هنگامی که رگ‌های خونی گشاد می‌شوند، تعادل هموگلوبین اکسیژن‌دار و بدون اکسیژن را که دارای خواص مغناطیسی متفاوتی هستند، تغییر می‌دهند. این تغییر در خواص مغناطیسی توسط MRI قابل تشخیص است.

BPAC به‌طور خاص به نور آبی که طول موج کوتاهی دارد پاسخ می‌دهد، بنابراین نور تولید شده را در فاصله نزدیک تشخیص می‌دهد. محققان از یک ناقل ویروسی برای رساندن ژن bPAC به سلول‌های عضله صاف که رگ‌های خونی را تشکیل می‌دهند، استفاده کردند. هنگامی که این ناقل به موش‌ها تزریق شد، رگ‌های خونی در سراسر ناحیه وسیعی از مغز به نور حساس شدند.

رگ‌های خونی شبکه‌ای را در مغز تشکیل می‌دهند که بسیار متراکم است. جاسانوف می‌گوید که هر سلول در مغز در چند ده میکرون یک رگ خونی قرار دارد. او گفت: روشی که من دوست دارم رویکرد خود را توصیف کنم این است که ما اساساً عروق مغز را به یک دوربین سه بعدی تبدیل می‌کنیم.

هنگامی که رگ‌های خونی به نور حساس شدند، محققان سلول‌هایی را کاشتند که برای فعال کردن لوسیفراز در صورت وجود بستری به نام CZT مهندسی شده بودند. در موش‌ها، محققان توانستند لوسیفراز را با تصویربرداری از مغز با MRI شناسایی کنند که رگ‌های خونی گشاد شده را نشان داد.

ردیابی تغییرات در مغز

سپس محققان آزمایش کردند که آیا تکنیک آنها می‌تواند نور تولید شده توسط سلول‌های خود مغز را در صورتی که فعالیت لوسیفراز مهندسی شده باشد،‌ تشخیص دهد. آنها ژن نوعی لوسیفراز به نام GLuc را به سلول‌های یک ناحیه عمیق مغز به نام جسم مخطط تحویل دادند. هنگامی که بستر CZT به حیوانات تزریق شد، تصویربرداری MRI مکا‌ن‌هایی را که نور منتشر شده بود، نشان داد.

جاسانوف گفت: این تکنیک که محققان آن را تصویربرداری بیولومینسانس با استفاده از همودینامیک یا BLUsH نامیدند، می‌تواند به روش‌های مختلفی برای کمک به دانشمندان برای یادگیری بیشتر در مورد مغز استفاده شود.

برای نمونه، می‌توان از آن برای ترسیم تغییرات در فعالیت ژن، با پیوند دادن فعالیت لوسیفراز به یک ژن خاص استفاده کرد. این کار می‌تواند به محققان کمک کند تا چگونگی تغییر فعالیت ژن در طول رشد جنینی و تمایز سلولی یا زمانی که خاطرات جدید شکل می‌گیرد را مشاهده کنند. همچنین لوسیفراز می‌تواند برای نقشه‌برداری ارتباطات آناتومیکی بین سلول‌ها یا نشان دادن نحوه ارتباط سلول‌ها با یکدیگر استفاده شود.

اکنون محققان قصد دارند برخی از این کاربردها و همچنین تطبیق این روش را برای استفاده در موش‌ها و سایر حیوانات بررسی کنند.