MIT'in Yeni MRI Tekniği Beynin Derinlerindeki Gizli Işığı Ortaya Çıkarıyor

MIT mühendisleri, beyindeki biyolüminesansı tespit etmek için, derin beyin yapılarının hassas bir şekilde görüntülenmesini sağlayan ve beyin fonksiyonları ile gen ifadesinin anlaşılmasını geliştiren, çığır açan MRI tabanlı bir yöntem geliştirdi.

Yeni bir MRI tekniği geliştirildi MİT Beynin derinliklerindeki biyolüminesansın ayrıntılı olarak görüntülenmesine olanak tanıyarak beyin hücrelerinin nasıl geliştiğine ve birbirleriyle nasıl iletişim kurduğuna dair yeni bilgiler sunuyor.

Bilim insanları sıklıkla hücreleri parlayan proteinlerle etiketleyerek tümörün büyümesini takip etmelerine veya hücreler farklılaştıkça gen ifadesindeki değişiklikleri ölçmelerine olanak tanıyor.

Bu teknik vücudun hücrelerinde ve bazı dokularında iyi çalışsa da, bu tekniği beynin derinlerindeki görüntü yapılarına uygulamak zor olmuştur çünkü ışık, tespit edilemeden çok fazla dağılır.

MIT mühendisleri, beyindeki biyolüminesans olarak bilinen bu tür ışığı tespit etmenin yeni bir yolunu buldular: Beynin kan damarlarını, ışık varlığında genişlemelerine neden olan bir proteini ifade edecek şekilde tasarladılar. Bu genişleme daha sonra manyetik rezonans görüntüleme (MRI) ile gözlemlenebilir ve araştırmacıların ışığın kaynağını tam olarak belirlemesine olanak tanır.

“Diğer alanlarda olduğu gibi sinir biliminde de karşılaştığımız iyi bilinen bir sorun, optik aletlerin derin dokuda kullanılmasının çok zor olmasıdır. MIT biyolojik mühendislik, beyin ve bilişsel bilimler ile nükleer bilim ve mühendislik profesörü Alan Jasanoff, “Çalışmamızın temel hedeflerinden biri, derin dokudaki biyolüminesans molekülleri oldukça yüksek çözünürlükte görüntülemenin bir yolunu bulmaktı” diyor.

Jasanoff ve meslektaşları tarafından geliştirilen yeni teknik, araştırmacıların beynin iç işleyişini daha önce mümkün olandan daha ayrıntılı bir şekilde keşfetmesine olanak sağlayabilir.

Aynı zamanda MIT’in McGovern Beyin Araştırmaları Enstitüsü’nde yardımcı araştırmacı olan Jasanoff, bugün (10 Mayıs) ortaya çıkan çalışmanın kıdemli yazarıdır. Doğa Biyomedikal Mühendisliği. Eski MIT doktora sonrası araştırmacıları Robert Ohlendorf ve Nan Li, makalenin baş yazarlarıdır.

Beyindeki biyolüminesansı tespit etmenin yeni bir yolu, manyetik rezonans görüntülemeyi (MRI) kullanır. MIT’de geliştirilen teknik, araştırmacıların beynin iç işleyişini daha önce mümkün olandan daha ayrıntılı olarak keşfetmesine olanak sağlayabilir. Resimde, onlara ışığa duyarlılık veren bir genin transdüksiyonundan sonra artık parlak kırmızı görünen kan damarları görülüyor.

Işığı Algılamak

Biyolüminesans proteinler denizanası ve ateşböcekleri de dahil olmak üzere birçok organizmada bulunur. Bilim insanları bu proteinleri, parıltısı bir lüminometre ile tespit edilebilen belirli proteinleri veya hücreleri etiketlemek için kullanıyor. Bu amaç için sıklıkla kullanılan proteinlerden biri, farklı renklerde parıldayan çeşitli formlarda bulunan lusiferazdır.

MRI kullanarak beyni görüntülemenin yeni yollarını geliştirme konusunda uzmanlaşmış Jasanoff’un laboratuvarı, beynin derinliklerindeki lusiferazı tespit etmenin bir yolunu bulmak istiyordu. Bunu başarmak için beyindeki kan damarlarını ışık dedektörlerine dönüştürecek bir yöntem geliştirdiler. MR’ın popüler bir türü, beyindeki kan akışındaki değişiklikleri görüntüleyerek çalışıyor; bu nedenle araştırmacılar, kan damarlarını ışığa genişleyerek yanıt verecek şekilde tasarladılar.

“Kan damarları, fonksiyonel MRI ve diğer invaziv olmayan görüntüleme tekniklerinde görüntüleme kontrastının baskın bir kaynağıdır; bu nedenle, bu tekniklerin kan damarlarını görüntüleme konusundaki içsel yeteneğini, kan damarlarını ışığa duyarlı hale getirerek ışığı görüntüleme aracına dönüştürebileceğimizi düşündük. “diyor Jasanoff.

Kan damarlarını ışığa duyarlı hale getirmek için araştırmacı, onları, adı verilen bakteriyel bir proteini ifade edecek şekilde tasarladı. Beggiatoa fotoaktive edilmiş adenilat siklaz (bPAC). Bu enzim ışığa maruz kaldığında cAMP adı verilen ve kan damarlarının genişlemesine neden olan bir molekül üretir. Kan damarları genişlediğinde, farklı manyetik özelliklere sahip olan oksijenli ve oksijensiz hemoglobinin dengesi değişir. Manyetik özelliklerdeki bu değişim MRI ile tespit edilebilir.

BPAC, kısa dalga boyuna sahip mavi ışığa özel olarak tepki verir, böylece yakın mesafede üretilen ışığı algılar. Araştırmacılar, bPAC genini özellikle kan damarlarını oluşturan düz kas hücrelerine iletmek için viral bir vektör kullandılar. Bu vektör farelere enjekte edildiğinde beynin geniş bir bölgesindeki kan damarları ışığa duyarlı hale geldi.

“Kan damarları beyinde son derece yoğun bir ağ oluşturur. Jasanoff, beyindeki her hücrenin bir kan damarının birkaç düzine mikron yakınında olduğunu söylüyor. “Yaklaşımımızı tanımlamaktan hoşlandığım yol, aslında beynin damar sistemini üç boyutlu bir kameraya dönüştürmemizdir.”

Kan damarları ışığa duyarlı hale getirildikten sonra araştırmacılar, CZT adı verilen bir substratın mevcut olması durumunda lusiferazı eksprese edecek şekilde tasarlanmış hücreleri implante ettiler. Sıçanlarda araştırmacılar, beyni MRI ile görüntüleyerek genişlemiş kan damarlarını ortaya çıkararak lusiferazı tespit edebildiler.

Beyindeki Değişikliklerin Takibi

Araştırmacılar daha sonra, eğer lusiferazı ifade edecek şekilde tasarlanmışlarsa, tekniklerinin beynin kendi hücreleri tarafından üretilen ışığı tespit edip edemediğini test etti. GLuc adı verilen bir tür lusiferaz için geni, striatum olarak bilinen derin beyin bölgesindeki hücrelere ilettiler. CZT substratı hayvanlara enjekte edildiğinde, MRI görüntüleme ışığın yayıldığı yerleri ortaya çıkardı.

Jasanoff, araştırmacıların hemodinamik veya BLUsH kullanarak biyolüminesans görüntüleme adını verdikleri bu tekniğin, bilim adamlarının beyin hakkında daha fazla bilgi edinmesine yardımcı olmak için çeşitli şekillerde kullanılabileceğini söylüyor.

Birincisi, lusiferaz ifadesini belirli bir gene bağlayarak gen ifadesindeki değişiklikleri haritalamak için kullanılabilir. Bu, araştırmacıların embriyonik gelişim ve hücre farklılaşması sırasında veya yeni anılar oluştuğunda gen ifadesinin nasıl değiştiğini gözlemlemesine yardımcı olabilir. Lusiferaz ayrıca hücreler arasındaki anatomik bağlantıların haritasını çıkarmak veya hücrelerin birbirleriyle nasıl iletişim kurduğunu ortaya çıkarmak için de kullanılabilir.

Araştırmacılar şimdi bu uygulamalardan bazılarını keşfetmenin yanı sıra tekniği farelerde ve diğer hayvan modellerinde kullanıma uyarlamayı planlıyor.

Referans: Robert Ohlendorf, Nan Li, Valerie Doan Phi Van, Miriam Schwalm, Yuting Ke, Miranda Dawson, Ying Jiang, Sayani Das, Brenna Stallings, Wen Ting Zheng ve Alan Jasanoff tarafından yazılan “Işığa duyarlı damar sisteminden lokalize hemodinamik kontrastı tespit ederek biyolüminesansın görüntülenmesi” 10 Mayıs 2024, Doğa Biyomedikal Mühendisliği.

Araştırma ABD tarafından finanse edildi Ulusal Sağlık EnstitüleriG. Harold ve Leila Y. Mathers Vakfı, Lore McGovern, Gardner Hendrie, Brendan Fikes, Alman Araştırma Vakfı’ndan burs, Avrupa Birliği’nden Marie Sklodowska-Curie Bursu ve Y. Eva Tan Bursu ve J Douglas Tan Bursu, her ikisi de McGovern Beyin Araştırmaları Enstitüsü’nden.