موضوعات: مهندسی پزشکی، مغز، MRI، MIT، نوروساینس
تاریخ انتشار خبر: 10 می 2024
یک تکنیک جدید MRI که در MIT توسعه یافته است، امکان تصویربرداری دقیق از بیولومینسانس (bioluminescence ) در اعماق مغز را فراهم می کند و بینش جدیدی را در مورد چگونگی رشد سلول های مغز و برقراری ارتباط با یکدیگر ارائه می دهد.
دانشمندان اغلب سلول ها را با پروتئین هایی که می درخشند برچسب گذاری می کنند که به آنها اجازه می دهند رشد تومور را ردیابی کنند یا تغییرات در بیان ژن را که با تمایز سلول ها رخ می دهد اندازه گیری کنند.
در حالی که این تکنیک در سلولها و برخی بافتهای بدن به خوبی کار میکند، 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، معروف به بیولومینسانس، در مغز ارائه کرده اند: آنها رگ های خونی مغز را طوری مهندسی کردند که پروتئینی را بیان کنند که باعث گشاد شدن آنها در حضور نور می شود. سپس این اتساع را می توان با تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI) مشاهده کرد و به محققان این امکان را می دهد که منبع نور را مشخص کنند.
مشکل شناخته شده ای که ما در علوم اعصاب و همچنین سایر زمینه ها با آن روبرو هستیم، این است که استفاده از ابزارهای نوری در بافت عمیق بسیار دشوار است. آلن جاسانوف، استاد مهندسی بیولوژیکی، علوم مغز و شناختی، و علوم و مهندسی هستهای، میگوید: یکی از اهداف اصلی مطالعه ما یافتن راهی برای تصویربرداری از مولکولهای بیولومینسانس در بافت عمیق با وضوح نسبتاً بالا بود.
تکنیک جدید توسعه یافته توسط جاسانوف و همکارانش می تواند محققان را قادر سازد تا عملکردهای درونی مغز را با جزئیات بیشتری نسبت به آنچه قبلا امکان پذیر بوده است، بررسی کنند.
جاسانوف، که همچنین محقق در موسسه تحقیقات مغز مک گاورن MIT است، نویسنده ارشد این مطالعه است این مقاله Nature Biomedical Engineering منتشر شده است.
روش جدیدی برای تشخیص بیولومینسانس در مغز از تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) استفاده می کند. 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 رگهای خونی دیده میشوند که پس از انتقال با ژنی که به آنها حساسیت به نور میدهد، قرمز روشن به نظر میرسند.
تشخیص نور
پروتئین های بیولومینسانس در بسیاری از ارگانیسم ها از جمله عروس دریایی و کرم شب تاب یافت می شوند. دانشمندان از این پروتئینها برای برچسب زدن پروتئینها یا سلولهای خاصی استفاده میکنند که درخشش آنها را میتوان با نورسنج تشخیص داد. یکی از پروتئین هایی که اغلب برای این منظور استفاده می شود، لوسیفراز(luciferase) است که به اشکال مختلف در رنگ های مختلف می درخشد.
آزمایشگاه Jasanoff 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، آنها روشی برای تبدیل عروق خونی مغز به آشکارسازهای نور ارائه کردند. یک شکل محبوب MRI با تصویربرداری از تغییرات جریان خون در مغز کار می کند، بنابراین محققان خود رگ های خونی را طوری مهندسی کردند که با گشاد شدن به نور پاسخ دهند.
جاسانوف می گوید: 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 به نور رگهای خونی تبدیل کنیم.
برای حساس کردن رگهای خونی به نور، محقق آنها را طوری مهندسی کرد که پروتئین باکتریایی به نام Beggiatoa (bPAC) را بیان کنند. وقتی این آنزیم در معرض نور قرار می گیرد، مولکولی به نام cAMP تولید می کند که باعث گشاد شدن رگ های خونی می شود. هنگامی که رگهای خونی گشاد میشوند، تعادل هموگلوبین اکسیژندار و بدون اکسیژن را که دارای خواص مغناطیسی متفاوتی هستند، تغییر میدهد. این تغییر در خواص مغناطیسی توسط MRI قابل تشخیص است.
BPAC به طور خاص به نور آبی که طول موج کوتاهی دارد پاسخ می دهد، بنابراین نور تولید شده را در فاصله نزدیک تشخیص می دهد. محققان از یک ناقل ویروسی برای رساندن ژن bPAC به طور خاص 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.
رگ های خونی شبکه ای را در مغز تشکیل می دهند که بسیار متراکم است. جاسانوف میگوید که هر سلول در مغز در چند ده میکرون یک رگ خونی قرار دارد. روشی که من دوست دارم رویکرد خود را توصیف کنم این است که ما اساساً عروق مغز را به یک دوربین سه بعدی تبدیل می کنیم.
هنگامی که رگهای خونی به نور حساس شدند، محققان سلولهایی را کاشتند که برای بیان 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
محققان سپس آزمایش کردند که آیا تکنیک آنها می تواند نور تولید شده توسط سلول های خود مغز را، اگر آنها برای بیان لوسیفراز مهندسی شده باشند، تشخیص دهد. آنها ژن نوعی لوسیفراز به نام GLuc را به سلولهای یک ناحیه عمیق مغز به نام striatum تحویل دادند. هنگامی که بستر CZT به حیوانات تزریق شد، تصویربرداری MRI مکانهایی را که نور در آن ساطع شده بود نشان داد.
جاسانوف میگوید 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 مثال، می توان از آن برای ترسیم تغییرات در بیان ژن، با پیوند دادن بیان لوسیفراز به یک ژن خاص استفاده کرد. این می تواند به محققان کمک کند تا چگونگی تغییر بیان ژن در طول رشد جنینی و تمایز سلولی یا زمانی که خاطرات جدید شکل می گیرد، مشاهده کنند. لوسیفراز همچنین میتواند برای نقشهبرداری اتصالات 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 موش ها و سایر مدل های حیوانی بررسی کنند.
از کد DOI زیر برای مطالعه کامل این مقاله می تونید استفاده کنید: