tisztánlátás: a hidrogél folyamat átlátszó agyat hoz létre
tisztánlátás folyamata: interjú Karl Deisseroth Stanford biomérnökkel és pszichiáterrel. Hossz: 3:58
“az ilyen molekuláris felbontással és globális hatókörrel rendelkező érintetlen rendszerek tanulmányozása – hogy egyszerre láthassuk a finom részleteket és a nagy képet — a biológia egyik legfontosabb kielégítetlen célja volt, és egy olyan cél, amelyet a tisztaság elkezd kezelni” – mondta Deisseroth.
” ez a vegyészmérnöki teljesítmény azt ígéri, hogy átalakítja az agy anatómiájának tanulmányozását és azt, hogy a betegség hogyan változtatja meg azt” – mondta Thomas Insel, az Országos Mentális Egészségügyi Intézet igazgatója. “A legfontosabb háromdimenziós szervünk mélyreható tanulmányozását már nem korlátozzák kétdimenziós módszerek.”
intakt felnőtt egér agy előtt és után a két napos CLARITY folyamat. A jobb oldali képen a finom agyi struktúrák halványan láthatók, mint a “szám”, “feltáratlan”, “kontinens” és “szakaszok” szavak fölötti elmosódott területek.”
a kutatásokat elsősorban egér agyán végezték, de a kutatók CLARITY-t használtak a zebrahalon és a megőrzött emberi agymintákon hasonló eredményekkel, megteremtve az utat az emberi minták és más organizmusok jövőbeli tanulmányozásához.
“a CLARITY azt ígéri, hogy forradalmasítja annak megértését, hogy az agy szerkezetének és aktivitásának helyi és globális változásai hogyan alakulnak viselkedéssé” – mondta Paul Frankland, PhD, a Torontói Kórház beteg gyermekek Kutatóintézetének Idegtudományi és mentális egészségügyi vezető tudósa, aki nem vett részt a kutatásban. Frankland kollégája, Sheena Josselyn, PhD, hozzátette, hogy a folyamat az agyat “titokzatos fekete dobozból” lényegében átlátszóvá változtathatja.
egy kifürkészhetetlen hely
a szövevényes szürkeállomány és a vezetékek halmaza, amely az agy, összetett és kifürkészhetetlen hely. Az idegtudósok azért küzdöttek, hogy teljes mértékben megértsék annak áramköreit, hogy megértsék, hogyan működik az agy, és miért, néha, nem.
Karl Deisseroth
a CLARITY egy Deisseroth laboratóriumában végzett kutatási erőfeszítés eredménye, amelynek célja az átlátszatlan elemek — különösen a lipidek — kivonása az agyból, ugyanakkor a fontos tulajdonságok teljes érintetlensége. A lipidek az agyban és a testben található zsírmolekulák. Különösen az agyban segítenek a sejtmembránok kialakításában, és az agy szerkezetének nagy részét adják. A lipidek kettős kihívást jelentenek a biológiai vizsgálatok számára, mivel az agyat nagyrészt áthatolhatatlanná teszik mind a vegyi anyagok, mind a fény számára.
az idegtudósok szerették volna kivonni a lipideket, hogy feltárják az agy finom szerkezetét szeletelés vagy metszés nélkül, de egy nagy akadály: ezeknek a szerkezetileg fontos molekuláknak a eltávolítása a fennmaradó szövet szétesését okozza.
a korábbi vizsgálatok inkább a szeletelési/metszési megközelítés automatizálására összpontosítottak, vagy az agy kezelésére olyan szerves molekulákkal, amelyek csak a fény behatolását segítik elő, de nem makromolekuláris próbák. Egyértelműséggel Deisseroth csapata alapvetően más megközelítést alkalmazott.
“a vegyészmérnöki munkát arra használtuk, hogy a biológiai szöveteket ép, de optikailag átlátszó és a makromolekulák számára áteresztő állapotba hozzuk” – mondta Chung, a tanulmány első szerzője.
ezt az új formát úgy hozzák létre, hogy az agy lipidjeit hidrogéllel helyettesítik. A hidrogél magából az agyból épül fel a megkövesedéshez fogalmi szempontból hasonló folyamatban, amely kezdetben rövid, egyedi molekulák vizes szuszpenzióját használja hidrogél monomerek. Az ép, halál utáni agy a hidrogél oldatba merül, a monomerek pedig a szövetet infundálják. Ezután ,amikor “termikusan kiváltják”, vagy kissé felmelegítik körülbelül testhőmérsékletre, a monomerek hosszú molekulaláncokká, úgynevezett polimerekké alakulnak, hálót képezve az egész agyban. Ez a háló mindent együtt tart, de fontos, hogy nem kötődik a lipidekhez.
a szövet ilyen módon történő megkötésével a csapat képes erőteljesen és gyorsan kivonni a lipideket az elektroforézisnek nevezett folyamaton keresztül. Ami megmaradt, az egy 3D – s, átlátszó agy, minden fontos struktúrájával – neuronokkal, axonokkal, dendritekkel, szinapszisokkal, fehérjékkel, nukleinsavakkal és így tovább-ép és a helyén.
megy a dolgok egy jobb
CLARITY akkor megy egy jobb. A neuronális struktúrák teljes folytonosságának megőrzése érdekében az egyértelműség nemcsak lehetővé teszi az egyes idegi kapcsolatok nyomon követését nagy távolságokon keresztül az agyon keresztül, hanem lehetőséget nyújt a sejt működését leíró gazdag, molekuláris információk gyűjtésére is, amelyek más módszerekkel nem lehetségesek.
“úgy gondoltuk, hogy ha a lipideket nem pusztítóan el tudjuk távolítani, akkor képesek leszünk arra, hogy mind a fény, mind a makromolekulák mélyen behatoljanak a szövetekbe, lehetővé téve nemcsak a 3D képalkotást, hanem az ép agy 3D molekuláris elemzését is”-mondta Deisseroth, aki a D. H. Chen professzor.
olyan fluoreszcens antitesteket használva, amelyekről ismert, hogy csak specifikus fehérjékhez kötődnek, Deisseroth csapata megmutatta, hogy képes a CLARITY-módosított — vagy “tisztított” — egér agyának specifikus struktúráit megcélozni, és ezeket a struktúrákat, és csak azokat a struktúrákat világítani megvilágítás alatt. A kutatók nyomon követhetik az idegi áramköröket az egész agyban, vagy mélyen feltárhatják a helyi áramköri vezetékek árnyalatait. Látják a sejtek közötti kapcsolatokat és vizsgálják a szubcelluláris struktúrákat. Még a fehérje komplexek, nukleinsavak és neurotranszmitterek kémiai kapcsolatait is megvizsgálhatják.
a háromdimenziós renderelés tisztított agy leképezett alulról (ventrális fele). A rágcsáló agy fly-through videója itt érhető el.
“az, hogy képesek vagyunk meghatározni a különböző sejtek molekuláris szerkezetét és kapcsolataikat antitestfestéssel, az egyértelműség alapvető képessége, elkülönítve az optikai átlátszóságtól, amely lehetővé teszi számunkra, hogy alapvetően új módon vizualizáljuk az agyi komponensek közötti kapcsolatokat” – mondta Deisseroth, aki az “álomcsapat” 15 szakértőjének egyike, aki az Obama elnök által április 2-án bejelentett 100 millió dolláros Agykutatási kezdeményezés céljait fogja feltérképezni.
és egy másik jelentős képesség egy kutatási szempontból, a kutatók most már képes desztain a tisztított agy, kiöblítjük a fluoreszcens antitestek és megismételve a festési folyamat újra különböző antitestek segítségével vizsgálja a különböző molekuláris célpontok ugyanabban az agyban. Ez a festési / festési folyamat többször megismételhető, a szerzők megmutatták, és a különböző adathalmazok egymáshoz igazíthatók.
az ajtó kinyitása
a tisztaság ennek megfelelően lehetővé tette az érintetlen agy rendkívül részletes, finom szerkezeti elemzését-még az emberi szöveteket is, amelyeket sok éven át megőriztek — mutatta a csapat. Az emberi agy átlátható, de stabil mintákká alakítása hozzáférhető vezetékekkel és molekuláris részletekkel jobb megértést eredményezhet az agyműködés és a betegség szerkezeti alapjairól.
háromdimenziós nézet festett hippokampusz mutató fluoreszcens expresszáló neuronok (zöld), összekötő interneuronok (piros) és támogató glia (kék).
az idegtudomány azonnali és nyilvánvaló előnyein túl Deisseroth arra figyelmeztetett, hogy az egyértelműség ugrásszerűen megnövelte az adatok kezelésének képességét. “A hatalmas mennyiségű adat hasznos betekintéssé alakítása óriási számítási kihívásokat jelent, amelyekkel foglalkozni kell. Jobb számítási módszereket kell kidolgoznunk a képszegmentálás, a 3D – s képregisztráció, az automatizált nyomkövetés és a képgyűjtés területén ” – mondta.
valóban, az ilyen nyomás növekedni fog, mivel a tisztaság elkezdheti támogatni a nagyméretű, érintetlen biológiai rendszerek és szervek, talán egész szervezetek mélyebb megértését.
“a jövőbeli vizsgálatok szempontjából különösen érdekesek az intrasystem kapcsolatok, nemcsak az emlősök agyában, hanem más szövetekben vagy betegségekben is, amelyek teljes megértése csak akkor lehetséges, ha egyetlen, ép rendszer alapos elemzését el lehet végezni” – mondta Deisseroth. “A tisztaság bármely biológiai rendszerre alkalmazható, és érdekes lesz látni, hogy a biológia más ágai hogyan használhatják fel.”
további társszerzők közé tartozik Jenelle Wallace egyetemi hallgató; végzős hallgatókssung-Yon Kim, Kelly Zalocusky, Joanna Mattis, Aleksandra Denisin és Logan Grosenick; kutatási asszisztensek Sandhiya Kalyanasundaram, Julie Mirzabekov, Sally Pak és Charu Ramakrishnan; posztdoktori tudósok Aaron Andalman, PhD, és Tom Davidson, PhD; korábbi egyetemi hallgató Hannah Bernstein; és a korábbi személyzet tudós Viviana Gradinaru.
a kutatást a Nemzeti Mentális Egészségügyi Intézet (grant MH099647); a Nemzeti Tudományos Alapítvány; a Simons Alapítvány; a Stanford Egyetem elnöke és Prépostja támogatta; a Wiegers, Snyder, Reeves, Gatsby és Yu alapítványok; a DARPA javítási program; és a Burroughs Wellcome alap.
Stanford biotechnológiai Tanszéke is támogatta a munkát. A tanszék közösen működteti a School of Engineering és a School of Medicine.
