Naukowcy z Europejskiego Laboratorium Biologii Molekularnej opracowali innowacyjne sondy fotoakustyczne, które umożliwiają lepsze obrazowanie aktywności neuronów w określonych obszarach mózgu. Ta technologia pierwszej generacji, która integruje syntetyczne barwniki z białkami, wykazuje znaczny potencjał w zakresie pogłębiania naszej wiedzy o funkcjonowaniu mózgu, chociaż potrzebne są dalsze udoskonalenia.
Aby lepiej zrozumieć mózg, potrzebujemy nowych metod obserwacji jego aktywności.
Stanowi to sedno projektu inżynierii molekularnej, prowadzonego przez dwie grupy badawcze w Europejskim Laboratorium Biologii Molekularnej (EMBL), którego efektem jest nowatorskie podejście do tworzenia sond fotoakustycznych do zastosowań w neurologii. Wyniki opublikowano w czasopiśmie „ Dziennik Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego.
„Fotoakustyka umożliwia uchwycenie obrazu całego mózgu myszy, ale brakowało nam odpowiednich sond do wizualizacji aktywności neuronu” – powiedział Robert Prevedel, lider grupy EMBL i starszy autor tej publikacji. Aby pokonać to wyzwanie technologiczne, współpracował z Claire Deo, inną liderką grupy EMBL, a także starszą autorką artykułu. Ona i jej zespół specjalizują się w inżynierii chemicznej.
„Udało nam się wykazać, że faktycznie możemy oznaczyć neurony w określonych obszarach mózgu za pomocą sond wystarczająco jasnych, aby można je było wykryć za pomocą naszego dostosowanego do potrzeb mikroskopu fotoakustycznego” – powiedział Prevedel.
Wzmocnienie obrazowania neuronowego
Naukowcy mogą dowiedzieć się więcej o procesach biologicznych, śledząc określone substancje chemiczne, takie jak jony lub biomolekuły. Sondy fotoakustyczne mogą działać jako „reportery” trudnych do wykrycia substancji chemicznych, wiążąc się z nimi w sposób specyficzny. Sondy mogą następnie absorbować światło po wzbudzeniu laserami i emitować fale dźwiękowe, które można wykryć za pomocą specjalistycznego sprzętu do obrazowania. Jednak do zastosowań w neuronauce naukowcom nie udało się dotychczas zaprojektować reporterów, które potrafiłyby wizualizować funkcje mózgu dostosowane do fotoakustyki.
Chociaż badacze eksperymentowali z wykorzystaniem barwników syntetycznych jako fotoakustycznych reporterów aktywności neuronów, kontrolowanie tego, dokąd trafia barwnik i co może być oznakowane, okazało się wyzwaniem. Białka okazały się szczególnie przydatne jako sondy do znakowania określonych cząsteczek, ale nie doprowadziły jeszcze do powstania skutecznych sond fotoakustycznych do monitorowania aktywności neuronowej w całym mózgu.
„W naszym przypadku wykorzystaliśmy to, co najlepsze z obu tych czujników, łącząc białko z racjonalnie zaprojektowanym syntetycznym barwnikiem, i możemy teraz oznaczać i wizualizować neurony w określonych obszarach zainteresowania” – powiedział Alexander Cook, pierwszy autor badania i stażysta przeddoktorski w grupie Deo. W podejściu do racjonalnego projektowania badacze wykorzystują istniejącą wiedzę i zasady do budowania cząsteczek o pożądanych właściwościach, zamiast na ślepo tworzyć i testować przypadkowe związki. „Ponadto nie mówimy tylko o obserwacji statycznej, ale zamiast tego sonda ta wykazuje odwracalną, dynamiczną reakcję na wapń, który jest markerem aktywności neuronów” – dodał Cook.
Według Deo na drodze rozwoju technologicznego stanęło ważne wyzwanie. Ponieważ sondy fotoakustyczne nie były szczegółowo badane, badaczom brakowało sposobu na ocenę budowanych sond.
Budowa specjalistycznego sprzętu
W związku z tym projekt rozpoczął się od Nikity Kaydanowa, współautorki badania i stażysty przeddoktorskiego w Grupie Prevedel, która wykonany na zamówienie zestaw do spektroskopii. „Nie ma komercyjnego zestawu, który mógłby mierzyć sygnały fotoakustyczne sondy w probówkach lub kuwetach, więc musieliśmy go zbudować” – powiedział Kaydanov. „Stworzyliśmy własny spektrometr fotoakustyczny do oceny i optymalizacji sond”.
„Pozwoliło nam to ocenić i scharakteryzować różne sondy, które stworzyliśmy, aby ocenić kilka rzeczy” – powiedział Deo. „Czy wytworzyli wykrywalny sygnał fotoakustyczny? Czy są wystarczająco wrażliwi? W ten sposób wywnioskowaliśmy kolejne kroki.”
Naukowcy nie chcieli jednak poprzestać na samym wytwarzaniu sond działających w fiolce. Następnie chcieli zobaczyć, jak sondy działają w praktyce. Wymyślili sposób dostarczania sond do mózgu myszy i skutecznie wykryli sygnały fotoakustyczne z neuronów w docelowych obszarach mózgu.
„Chociaż jesteśmy podekscytowani postępem, musimy jasno powiedzieć, że to dopiero pierwsza generacja tych sond” – powiedział Deo. „Chociaż oferują one bardzo obiecujące podejście, mamy o wiele więcej pracy do wykonania, ale jest to dobra pierwsza demonstracja możliwości tego systemu i potencjału, jaki ma w lepszym zrozumieniu funkcjonowania mózgu”.
Tak naprawdę te kolejne kroki obejmują udoskonalenie systemu dostarczania barwników i potwierdzenie możliwości wykorzystania ich do dynamicznego obrazowania wnętrza komórek.
„To naprawdę jedna z zalet EMBL, że skupia tak wiele osób o różnej wiedzy specjalistycznej” – powiedział Prevedel. „Obydwoje jesteśmy programistami na swój sposób – moja grupa pracuje bardziej nad instrumentarium, a grupa Claire nad narzędziami molekularnymi. A połączenie tego z neurobiologami, którzy następnie naprawdę testują narzędzia – jest to wyjątkowy i unikalny sposób prowadzenia badań, możliwy tylko w EMBL”.
Odniesienie: „Chemigenetic Far-Red Labels and Ca2+ Indicators Optimized for Photoacoustic Imaging” autorstwa Alexandra Cooka, Nikity Kaydanova, Begoña Ugarte-Uribe, Juana Carlosa Boffi, Gretel B. Kamm, Roberta Prevedela i Claire Deo, 19 sierpnia 2024 r., Dziennik Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego.
DOI: 10.1021/jacs.4c07080
Badanie zostało sfinansowane przez Europejskie Laboratorium Biologii Molekularnej i Inicjatywę Chana Zuckerberga.
