Obrazowanie bioluminescencyjne (BLI) jest jedną z najpowszechniejszych i najprostszych metod diagnostycznych, która pozwala na śledzenie wzrostu guza lub mierzenie poziomu ekspresji genów podczas różnicowania komórek. Metoda ta dobrze sprawdza się w wielu tkankach ciała, ale w neurologii często jest bezużyteczna, gdyż światło rozprasza się w mózgu, zanim zostanie wykryte.
Czytaj też: Potężna maszyna skanuje ludzkie mózgi. Zdjęcia nie pozostawiają żadnych wątpliwości
Inżynierowie MIT dokonali przełomu i zmodyfikowali naczynia krwionośne mózgu w taki sposób, aby rozszerzały się w obecności światła. Można to zaobserwować za pomocą rezonansu magnetycznego (MRI), a więc i łatwo namierzyć źródło zmian, czasami patologicznych. Szczegóły opisano w czasopiśmie Nature Biomedical Engineering.
Prof. Alan Jasanoff z MIT mówi:
Dobrze znanym problemem, przed którym stoimy w neurologii, a także w innych dziedzinach, jest to, że trudno jest używać narzędzi optycznych w głębokich tkankach. Jednym z głównych celów naszych badań było znalezienie sposobu obrazowania cząsteczek bioluminescencyjnych w głębokich tkankach z rozsądnie wysoką rozdzielczością.
Nowa technika zrewolucjonizuje sposób obrazowania mózgu
Bioluminescencja występuje głównie u bakterii, ale także niektórych chrząszczy (świetlików), ślimaków czy meduz. W świecie przyrody jest zjawiskiem dość powszechnym – szczególnie u organizmów oceanicznych, u których jest to najbardziej efektywny sposób komunikacji. Naukowcy wykorzystują białka występujące u organizmów zdolnych do bioluminescencji do znakowania określonych celów diagnostycznych, czyli komórek lub innych białek. Jednym z białek często wykorzystywanych w tym celu jest lucyferaza, która występuje w różnych postaciach i świeci różnymi kolorami.
Czytaj też: Mamy coraz większe mózgi. Czy to dobrze?
Zespół prof. Jasanoffa, który specjalizuje się w opracowywaniu nowych sposobów neuroobrazowania za pomocą MRI, chciał znaleźć sposób na wykrycie lucyferazy głęboko w mózgu. Uczeni wpadli na pomysł, by zmienić naczynia krwionośne mózgu w “detektory światła”. Najpopularniejsza postać rezonansu magnetycznego polega na obrazowaniu zmian podczas przepływu krwi w mózgu, dlatego naukowcy zaprojektowali same naczynia krwionośne tak, aby reagowały na światło poprzez rozszerzanie.
Naukowcy zmodyfikowali naczynia krwionośne, aby wykazywały ekspresję białka bakteryjnego, znanego jako fotoaktywna cyklaza adenylanowa Beggiatoa (bPAC). Pod wpływem światła enzym ten wytwarza cząsteczkę cAMP, która powoduje rozszerzenie naczyń krwionośnych. To z kolei zmienia równowagę utlenionej i odtlenionej hemoglobiny, która ma różne właściwości magnetyczne. Można to wykryć w skanerze MRI.
Naukowcy wykorzystali wektor wirusowy do dostarczenia genu bPAC konkretnie do komórek mięśni gładkich tworzących naczynia krwionośne. Po wstrzyknięciu tego wektora szczurom naczynia krwionośne na dużym obszarze mózgu stały się wrażliwe na światło.
Prof. Alan Jasanoff dodaje:
Naczynia krwionośne tworzą w mózgu niezwykle gęstą sieć. Każda komórka w mózgu znajduje się w odległości kilkudziesięciu mikronów od naczynia krwionośnego. Nasze podejście lubię opisywać w taki sposób, że zasadniczo przekształcamy układ naczyniowy mózgu w trójwymiarową kamerę.
Po uwrażliwieniu naczyń krwionośnych na światło naukowcy wszczepili komórki zaprojektowane tak, aby wykazywały ekspresję lucyferazy, jeśli obecny jest substrat zwany CZT. U szczurów badaczom udało się wykryć lucyferazę poprzez obrazowanie mózgu za pomocą MRI, które ujawniło rozszerzone naczynia krwionośne. Następnie naukowcy sprawdzili, czy ta technika może wykryć światło wytwarzane przez własne komórki mózgu. Dostarczyli gen lucyferazy zwanej GLuc do komórek w obszarze mózgu znanym jako prążkowie. Po wstrzyknięciu zwierzętom substratu CZT obrazowanie MRI ujawniło miejsca, z których wyemitowano światło.
Technikę tę, którą nazwano obrazowaniem bioluminescencyjnym z wykorzystaniem hemodynamiki (BLUsH), można wykorzystać na różne sposoby, aby pomóc dowiedzieć się więcej o mózgu. Naukowcy planują teraz zbadać niektóre z tych zastosowań, a także dostosować technikę do użycia u myszy i innych modeli zwierzęcych. Nie ma na razie planu jej wykorzystania u ludzi, choć potencjalne korzyści mogą znacznie przewyższać metody neurodiagnostyczne obecnie wykorzystywane w szpitalach.