Nowa technika „latarki molekularnej” umożliwia nieinwazyjny wgląd w patologie mózgu, rzucając światło na przyszłość badań neurologicznych.
- Sonda może dotrzeć w głąb mózgu przy minimalnych uszkodzeniach, dzięki czemu zyskała miano urządzenia minimalnie inwazyjnego. Emituje ultracienką wiązkę światła.
- Światło oświetlając tkankę nerwową dostarcza szczegółowych informacji o jej składzie chemicznym, umożliwiając wykrycie zmian molekularnych wywołanych nowotworami lub innymi zmianami chorobowymi.
- Narzędzie to, zwane „latarką molekularną”, jest obecnie używane w warunkach badawczych, ale naukowcy mają nadzieję, że ostatecznie znajdzie zastosowanie w opiece nad pacjentami.
- Wyniki szczegółowo opisano w czasopiśmie Metody natury.
Rewolucyjna technologia „latarki molekularnej”.
Badanie zmian molekularnych w mózgu spowodowanych nowotworami i zaburzeniami neurologicznymi bez stosowania procedur inwazyjnych od dawna stanowi wyzwanie w badaniach biomedycznych. Teraz naukowcy opracowali przełomową technikę, która wykorzystuje ultracienką sondę do wprowadzenia światła do mózgów myszy, umożliwiając szczegółową analizę molekularną. Wyniki opublikowano dzisiaj (31 grudnia) w czasopiśmie Metody naturysą wynikiem współpracy międzynarodowych badaczy, w tym zespołów z hiszpańskiego Krajowego Centrum Badań nad Rakiem (CNIO) i Hiszpańskiej Krajowej Rady ds. Badań Naukowych (CSIC).
Naukowcy nazywają tę innowację „latarką molekularną”, ponieważ oświetla tkankę nerwową, ujawniając jej skład chemiczny. Takie podejście umożliwia naukowcom wykrywanie zmian molekularnych związanych z guzami mózgu – zarówno pierwotnymi, jak i przerzutowymi – a także urazami, takimi jak urazowe uszkodzenie mózgu.
Minimalna inwazja, maksymalny wgląd
The latarka molekularna to sonda o grubości mniejszej niż 1 mm i końcówce o szerokości zaledwie jednego mikrona – około jednej tysięcznej milimetra – i niewidoczna gołym okiem. Można go wprowadzić głęboko do mózgu, nie powodując uszkodzeń (dla porównania ludzki włos ma średnicę od 30 do 50 mikronów).
Ten sonda-latarka nie jest jeszcze gotowy do testów na pacjentach, a na razie jest przede wszystkim „obiecującym” narzędziem badawczym na modelach zwierzęcych, pozwalającym „monitorować zmiany molekularne spowodowane urazowym uszkodzeniem mózgu, a także wykrywać diagnostyczne markery przerzutów do mózgu z dużą dokładność– wyjaśniają autorzy artykułu.
Prace wykonał Europejczyk NanoBright konsorcjum, w skład którego wchodzą dwie grupy hiszpańskie: grupa kierowana przez Manuela Valiente, który stoi na czele Grupa przerzutów do mózgui CSIC Laboratorium Obwodów Neuronowych Instytutu Cajalana którego czele stoi Liset Menéndez de la Prida. Obydwa zespoły były odpowiedzialne za badania biomedyczne w NanoBright, natomiast grupy z instytucji włoskich i francuskich opracowały oprzyrządowanie.
Zmiana paradygmatu w technikach badania mózgu
Wykorzystanie światła do aktywacji lub rejestracji funkcji mózgu jest niezwykłym osiągnięciem, ale nie jest to nowa technika. Na przykład tzw. techniki optogenetyczne umożliwiają kontrolowanie aktywności poszczególnych neuronów za pomocą światła. Metody te wymagają jednak wprowadzenia genu do neuronów, aby uczynić je wrażliwymi na światło. Dzięki nowej technologii wprowadzonej przez NanoBright można badać mózg bez wcześniejszych zmian, co stanowi zmianę paradygmatu w badaniach biomedycznych.
Techniczna nazwa metody, na której opiera się nowa latarka molekularna, to spektroskopia wibracyjna. Działa poprzez wykorzystanie właściwości światła znanej jako efekt Ramana: gdy światło oddziałuje z cząsteczkami, rozprasza się w różny sposób, w zależności od ich składu chemicznego i struktury. Pozwala to na wykrycie unikalnego sygnału, lub widmo, dla każdej cząsteczki. Widmo pełni wówczas rolę sygnatury molekularnej, dostarczając informacji o składzie naświetlanej tkanki.
„Widzimy każdą zmianę molekularną w mózgu spowodowaną patologią lub urazem”
„Ta technologia” – wyjaśnia Manuel Valiente – „pozwala nam badać mózg w jego naturalnym stanie bez konieczności wcześniejszych modyfikacji. Co więcej, umożliwia nam analizę dowolnego typu struktury mózgu, a nie tylko tej, która została genetycznie naznaczona lub zmieniona, jak było to konieczne w przypadku poprzednich technologii. Dzięki spektroskopii wibracyjnej możemy zobaczyć każdą zmianę molekularną w mózgu, gdy występuje patologia.
Spektroskopia Ramana jest już stosowana w neurochirurgii, ale w sposób bardziej inwazyjny i mniej precyzyjny. „Przeprowadzono badania nad jego zastosowaniem podczas operacji guza mózgu u pacjentów” – zauważa Valiente. „Na sali operacyjnej, po chirurgicznym usunięciu większości guza, można wprowadzić sondę spektroskopii Ramana, aby ocenić, czy w okolicy pozostały komórki nowotworowe. Odbywa się to jednak tylko wtedy, gdy mózg jest już otwarty, a jama jest wystarczająco duża. Te stosunkowo duże „latarki molekularne” nie nadają się do minimalnie inwazyjnego stosowania na żywych modelach zwierzęcych”.
Minimalnie inwazyjna technika analizy przerzutów
Sonda opracowana przez konsorcjum NanoBright jest tak cienka, że wszelkie uszkodzenia, jakie może spowodować po wprowadzeniu do tkanki mózgowej, uważa się za nieistotne, co pozwala jej określić ją mianem „minimalnie inwazyjnej”.
Autorzy sugerują konkretne zastosowania w Metody natury. Grupa Valiente z CNI wykorzystała latarkę molekularną w eksperymentalnych modelach przerzutów do mózgu: „Podobnie jak w przypadku pacjentów, zaobserwowaliśmy, że czoło guza uwalnia komórki, które uniknęłyby operacji” – mówi Valiente. „Różnica w stosunku do istniejącej technologii polega na tym, że możemy teraz przeprowadzić tę analizę w sposób minimalnie inwazyjny, niezależnie od tego, czy guz jest powierzchowny czy głęboki”.
Dla zespołu CNIO obecnym celem jest ustalenie, czy informacje dostarczane przez sondę mogą „odróżniać różne jednostki onkologiczne, takie jak typy przerzutów, na podstawie ich profili mutacyjnych, pierwotnego pochodzenia lub od różnych typów guzów mózgu”.
Sztuczna inteligencja do identyfikacji markerów diagnostycznych
Ze swojej strony zespół Instytutu Cajal wykorzystał tę technikę do badania obszarów epileptogennych wokół urazowych uszkodzeń mózgu. „Udało nam się zidentyfikować różne profile wibracyjne w tych samych obszarach mózgu podatnych na napady padaczkowe, w zależności od tego, czy były one związane z guzem czy urazem. Sugeruje to, że sygnatury molekularne tych obszarów ulegają odmiennemu wpływowi i można je wykorzystać do rozróżnienia różnych jednostek patologicznych przy użyciu algorytmów automatycznej klasyfikacji, w tym sztuczna inteligencja”- wyjaśnia Liset Menéndez de la Prida.
„Integracja spektroskopii wibracyjnej z innymi metodami rejestracji aktywności mózgu i zaawansowaną analizą obliczeniową z wykorzystaniem sztucznej inteligencji pozwoli nam zidentyfikować nowe, bardzo precyzyjne markery diagnostyczne” – podsumowuje badacz CSIC. „Ułatwi to rozwój zaawansowanej neurotechnologii na potrzeby nowych zastosowań biomedycznych”.
Odniesienie: „Wibracyjna fotometria światłowodowa: minimalnie inwazyjna spektroskopia Ramana w mózgu myszy bez etykiet i reporterów” 31 grudnia 2024 r., Metody natury.
DOI: 10.1038/s41592-024-02557-3
