تکنیک جدید MRI MIT نور پنهانی را در اعماق مغز آشکار می کند

مهندسان MIT یک روش مبتکرانه مبتنی بر MRI را برای تشخیص نورتابی در مغز ایجاد کرده‌اند که امکان تصویربرداری دقیق از ساختارهای عمیق مغز و بهبود درک عملکرد مغز و بیان ژن را فراهم می‌کند. (مفهوم هنرمند.) اعتبار: SciTechDaily.com

یک تکنیک جدید MRI توسعه یافته در MIT تصویربرداری دقیق از بیولومینسانس در اعماق مغز را امکان پذیر می کند و بینش جدیدی را در مورد چگونگی رشد سلول های مغز و برقراری ارتباط با یکدیگر ارائه می دهد.

دانشمندان اغلب سلول‌ها را با پروتئین‌هایی که می‌درخشند برچسب‌گذاری می‌کنند و به آن‌ها اجازه می‌دهند رشد تومور را ردیابی کنند یا تغییرات در بیان ژن را که با تمایز سلول‌ها اتفاق می‌افتد اندازه‌گیری کنند.

اگرچه این تکنیک در سلول‌ها و برخی از بافت‌های بدن به خوبی کار می‌کند، اما به کار بردن 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 روش جدیدی برای تشخیص این نوع نور ابداع کرده‌اند که به عنوان بیولومینسانس در مغز شناخته می‌شود: آنها رگ‌های خونی مغز را طوری مهندسی کردند که پروتئینی را بیان کنند که باعث گشاد شدن آنها در حضور نور می‌شود. 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.

«یک مشکل شناخته شده ای که ما در علوم اعصاب و همچنین در زمینه های دیگر با آن مواجه هستیم، این است که استفاده از ابزارهای نوری در بافت های عمیق بسیار دشوار است. آلن جاسانوف، استاد مهندسی زیست شناسی، مغز و علوم شناختی، و علوم و مهندسی هسته ای در MIT می گوید: یکی از اهداف اصلی تحقیق ما یافتن راهی برای تصویربرداری از مولکول های بیولومنسنت در بافت عمیق با وضوح نسبتاً بالا بود.

تکنیک جدید توسعه یافته توسط Jasanoff و همکارانش ممکن است به محققان اجازه دهد تا عملکرد درونی مغز را با جزئیات بیشتری نسبت به آنچه قبلا ممکن بود مطالعه کنند.

جاسانوف، که همچنین یک همکار در موسسه تحقیقات مغز مک گاورن MIT است، نویسنده ارشد این مطالعه است که امروز (10 مه) در مهندسی زیست پزشکی طبیعت. رابرت اوهلندورف و نان لی، فوق دکترای سابق MIT، نویسندگان اصلی مقاله هستند.

روش جدیدی برای تشخیص بیولومینسانس در مغز از تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) استفاده می کند. تکنیک توسعه یافته در MIT می تواند به محققان اجازه دهد تا عملکرد درونی مغز را با جزییات بیشتری نسبت به آنچه قبلا ممکن بود مطالعه کنند. در تصویر رگ‌های خونی دیده می‌شوند که اکنون پس از انتقال با ژنی که به آنها حساسیت به نور می‌دهد، قرمز روشن به نظر می‌رسند. اعتبار: با حسن نیت از محققین

تشخیص نور

پروتئین های بیولومینسانس در بسیاری از ارگانیسم ها از جمله چتر دریایی و کرم شب تاب یافت می شوند. دانشمندان از این پروتئین‌ها برای برچسب زدن پروتئین‌ها یا سلول‌هایی استفاده می‌کنند که درخشش آن‌ها توسط یک لومینومتر قابل تشخیص است. یکی از پروتئین هایی که اغلب برای این منظور استفاده می شود، لوسیفراز است که به شکل های مختلف وجود دارد که در رنگ های مختلف می درخشد.

آزمایشگاه جاسانوف، که متخصص در توسعه راه‌های جدید برای تصویربرداری از مغز از طریق MRI است، می‌خواست راهی برای تشخیص لوسیفراز در عمق مغز بیابد. برای رسیدن به این هدف، آنها روشی ابداع کردند تا رگ های خونی مغز را به آشکارسازهای نور تبدیل کنند. یکی از انواع رایج MRI با تصویربرداری از تغییرات جریان خون در مغز کار می کند، بنابراین محققان خود رگ های خونی را طوری مهندسی کرده اند که با گشاد شدن به نور پاسخ دهند.

رگ‌های خونی منبع اصلی کنتراست تصویربرداری در MRI عملکردی و سایر تکنیک‌های تصویربرداری غیرتهاجمی هستند، بنابراین تصمیم گرفتیم که بتوانیم توانایی ذاتی این تکنیک‌ها برای تصویربرداری از رگ‌های خونی را به وسیله‌ای برای تصویربرداری از نور با حساس‌سازی نور رگ‌های خونی تبدیل کنیم. جاسانوف می گوید.

برای اینکه رگ های خونی به نور حساس شوند، محقق آنها را مهندسی کرد تا پروتئین باکتریایی به نام را بیان کنند بگیاتوآ آدنیلات سیکلاز فعال شده با نور (bPAC). 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 رگ های خونی گشاد می شوند، تعادل هموگلوبین اکسیژن دار و بدون اکسیژن را تغییر می دهد که دارای خواص مغناطیسی متفاوتی هستند. 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. وقتی این ناقل به موش‌ها تزریق شد، رگ‌های خونی در ناحیه وسیعی از مغز به نور حساس شدند.

«رگ‌های خونی شبکه‌ای در مغز تشکیل می‌دهند که بسیار متراکم است. جاسانوف می گوید: «هر سلول در مغز در چند ده میکرون رگ خونی قرار دارد. روشی که من دوست دارم رویکردمان را توصیف کنم این است که ما اساساً عروق مغز را به یک اتاقک سه بعدی تبدیل می کنیم.

هنگامی که رگ‌های خونی به نور حساس شدند، محققان سلول‌هایی را کاشتند که برای بیان لوسیفراز طراحی شده بودند، اگر بستری به نام CZT وجود داشت. در موش‌ها، محققان توانستند لوسیفراز را با تصویربرداری MRI از مغز که رگ‌های خونی گشاد شده را نشان می‌داد، شناسایی کنند.

ردیابی تغییرات در مغز

محققان سپس آزمایش کردند که آیا تکنیک آنها می تواند نور تولید شده توسط سلول های خود مغز را در صورتی که برای بیان لوسیفراز مهندسی شده باشند، تشخیص دهد. آنها ژن نوعی لوسیفراز به نام GLuc را به سلول‌های ناحیه عمقی مغز به نام جسم مخطط می‌رسانند. هنگامی که بستر CZT به حیوانات تزریق شد، تصاویر MRI مکان هایی را که نور ساطع شده بود نشان داد.

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

از یک طرف، 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 را در طول رشد جنینی و تمایز سلولی یا زمانی که خاطرات جدید تشکیل می دهند، مشاهده کنند. لوسیفراز همچنین می‌تواند برای نقشه‌برداری از ارتباطات آناتومیکی بین سلول‌ها یا نشان دادن نحوه ارتباط سلول‌ها با یکدیگر استفاده شود.

اکنون محققان قصد دارند برخی از این کاربردها را بررسی کنند و همچنین این روش را برای استفاده در موش ها و سایر مدل های حیوانی تطبیق دهند.

مرجع: “تصویربرداری بیولومینسانس با تشخیص کنتراست همودینامیک موضعی از عروق حساس به نور” توسط رابرت اوهلندورف، نان لی، والری دوان فی وان، میریام شوالم، یوتینگ که، میراندا داوسون، یینگ جیانگ، سایانی داس، برنا استالینگ، ون تینگ، و آل تینگ جاسانوف، 10 مه 2024، مهندسی زیست پزشکی طبیعت.
DOI: 10.1038/s41551-024-01210-w

این تحقیق توسط ایالات متحده تامین مالی شد موسسه ملی بهداشتG. Harold and Leila Y. Mathers Foundation، Lore McGovern، Gardner Hendrie، Brendan Fikes، بورسیه بنیاد تحقیقات آلمان، کمک هزینه تحصیلی اتحادیه اروپا Marie Sklodowska-Curie، و Y. Eva Tan Fellowship و J.، Douglas Tan Fellowship، و هر دو موسسه تحقیقات مغز مک گاورن