Przezroczysty mózg

Opracowany przez naukowców z Kyushu University (Japonia) nowy odczynnik o nazwie SeeDB-Live umożliwia powtarzalne, odwracalne obrazowanie żywego mózgu w czasie rzeczywistym. Tkanka mózgowa staje się przezroczysta i aktywność neuronów jest widoczna bez zakłócania ich funkcji.

SeeDB-Live wykorzystuje albuminę – typowe białko obecne w surowicy krwi. Technika ta pozwala naukowcom dostrzec głębsze struktury zarówno w skrawkach mózgu, jak i u żywych myszy, co pozwala poznawać aktywność neuronalną, która wcześniej pozostawała poza zasięgiem badaczy.

„To pierwszy raz, kiedy udało się uczynić tkankę przezroczystą bez zmiany jej biologii” – powiedział Takeshi Imai, profesor Wydziału Nauk Medycznych Kyushu University i główny autor badania. - „SeeDB-Live może utorować drogę do obrazowania głębokich tkanek na żywo, zarówno ex vivo, jak i in vivo” – dodaje pierwszy autor badania, adiunkt Shigenori Inagaki z tego samego wydziału.

Złożone funkcje, takie jak pamięć i myślenie, wynikają z komunikacji w czasie rzeczywistym między komórkami głęboko w mózgu. Zrozumienie prawidłowej dynamiki działania mózgu wymaga obrazowania żywego mózgu.

Aby uzyskać efekt przezroczystości, trzeba ujednolicić współczynnik załamania światła. Światło załamuje się i rozprasza, przechodząc między materiałami o różnych współczynnikach załamania, na przykład w tkance mózgowej. Lipidy i różne składniki komórkowe tworzą drobne niedopasowania, rozpraszając światło i ukrywając głębsze struktury. Dzięki systematycznym eksperymentom zespół Imaia odkrył, że żywe komórki stają się najbardziej przezroczyste, gdy współczynnik załamania światła roztworu zewnątrzkomórkowego wynosi 1,36–1,37.

Gdy to już ustalono, trzeba było znaleźć nietoksyczny sposób osiągnięcia takiego współczynnika, zachowując jednocześnie równowagę osmotyczną, aby komórki nie pęczniały ani nie kurczyły się. Substancje takie jak cukier wymagały wysokich stężeń, które zwiększały ciśnienie osmotyczne i odwadniały komórki.

Ponieważ ciśnienie osmotyczne zależy od liczby cząsteczek, zespół zwrócił się ku dużym, sferycznym polimerom. Ich większy rozmiar oznacza, że potrzeba ich mniej do podniesienia współczynnika załamania światła, co koryguje parametry optyczne bez przeciążania komórek. Jednak pomimo przebadania prawie 100 związków nie udało się osiągnąć celu.

W końcu Inagaki spróbował wykorzystać białka (które zasadniczo też są polimerami). Sięgnął po butelkę albuminy surowicy bydlęcej (BSA), popularnego laboratoryjnego odczynnika krwiopochodnego, który ku jego zaskoczeniu wykazał najniższe ciśnienie osmotyczne przy pożądanym współczynniku załamania światła.

„Testowałem to trzy lub cztery razy, zanim w to uwierzyłem” – wspominał Inagaki. Zawierający albuminę SeeDB-Live sprawia, że wycinki mózgu myszy stają się przezroczyste w ciągu godziny od zanurzenia. Normalne wyładowania neuronalne głęboko w tkance zostały uwidocznione w przezroczystym wycinku mózgu. Po zastosowaniu na żywych mózgach myszy, sygnały fluorescencji z neuronów głębokich stały się trzykrotnie jaśniejsze.

Ponieważ płyn pozakomórkowy oczyszcza się się z SeeDB-Live w ciągu kilku godzin, przezroczystość tkanek powraca do stanu pierwotnego. Jako że metoda ta nie powoduje trwałych zmian, można wielokrotnie obrazować tę samą mysz, aby śledzić aktywność mózgu w czasie.

Naukowcy spodziewają się, że SeeDB-Live poprawi obrazowanie głębokiej fluorescencji, co pozwoli zrozumieć funkcje integracyjne mózgu. Może również pomóc w ocenie tkanek 3D i organoidów mózgu w badaniach nad odkrywaniem leków.

Zespół zauważa, że chociaż SeeDB-Live dobrze sprawdza się w przypadku tkanki mózgowej, bariery biologiczne ograniczają dostarczanie do innych narządów, a dostęp do mózgu nadal wymaga dojścia chirurgicznego, co może powodować stres i szkodzić mózgowi. „Uważam, że nie wykorzystaliśmy jeszcze pełni potencjału” – mówi Inagaki, dodając, że przyszłe działania skoncentrują się na mniej inwazyjnych metodach, aby poprawić penetrację, umożliwiając głębsze obrazowanie i lepszą analizę czynnościową aktywności mózgu.

Dla Imai to osiągnięcie stanowi ukoronowanie ponad dekady pracy. Po opracowaniu SeeDB w 2013 roku i SeeDB2 w 2016 roku dla próbek tkanek, wielokrotnie pytano go, czy możliwe jest uczynienie przezroczystymi tkanek żywych.

„To pytanie zadawano mi około stu razy i za każdym razem odpowiadałem »niemożliwe«” – wspomina Imai. „Ale dziesięć lat później jesteśmy tutaj. Kiedy coś wydaje się nieosiągalne, jeśli się nad tym długo zastanawiasz, możesz w końcu znaleźć sposób”.

Paweł Wernicki (PAP)

pmw/ zan/