Wyspecjalizowany czujnik MRI może wykrywać światło głęboko w tkance

Korzystając ze specjalistycznego czujnika MRI, naukowcy z MIT wykazali, że mogą wykrywać światło głęboko w tkankach, takich jak mózg.

Obrazowanie światła w głębokich tkankach jest bardzo trudne, ponieważ gdy światło wędruje do tkanek, duża jego część jest absorbowana lub rozpraszana. Zespół MIT pokonał tę przeszkodę, projektując czujnik, który przekształca światło w sygnał magnetyczny, który można wykryć za pomocą rezonansu magnetycznego (MRI).

Ten typ czujnika mógłby być używany do mapowania światła emitowanego przez światłowody wszczepione do mózgu, takie jak włókna używane do stymulacji neuronów podczas eksperymentów optogenetycznych. Naukowcy twierdzą, że wraz z dalszym rozwojem może być również przydatny do monitorowania pacjentów otrzymujących terapie oparte na świetle na raka.

Możemy zwizualizować rozkład światła w tkankach, a to ważne, ponieważ ludzie, którzy używają światła do stymulacji tkanek lub dokonywania pomiarów w tkankach, często nie wiedzą dokładnie, dokąd zmierza światło, gdzie są stymulowani lub gdzie światło pochodzi. Nasze narzędzie może być wykorzystane do rozwiązania tych niewiadomych”.

Alan Jasanoff, profesor inżynierii biologicznej, nauk o mózgu i kognitywistyce oraz nauk i inżynierii jądrowej w MIT

Jasanoff, również pracownik naukowy w McGovern Institute for Brain Research na MIT, jest głównym autorem badania, które ukazało się dzisiaj w Istota inżynierii biomedycznej. Jacob Simon, PhD, 21, i MIT postdoc Miriam Schwalm są głównymi autorami artykułu, a Johannes Morstein i Dirk Trauner z New York University są również autorami artykułu.

sonda światłoczuła

Naukowcy używają światła do badania żywych komórek od setek lat, począwszy od końca XVI wieku, kiedy wynaleziono mikroskop świetlny. Ten rodzaj mikroskopii pozwala badaczom zajrzeć do wnętrza komórek i cienkich skrawków tkanki, ale nie w głąb organizmu.

„Jednym z uporczywych problemów związanych ze światłem, zwłaszcza w naukach przyrodniczych, jest to, że nie radzi sobie ono dobrze z penetracją wielu materiałów” – mówi Jasanoff. „Materiały biologiczne pochłaniają i rozpraszają światło, a połączenie tych rzeczy uniemożliwia nam stosowanie większości rodzajów obrazowania optycznego do czegokolwiek, co wiąże się z ogniskowaniem w głębokich tkankach”.

Aby obejść to ograniczenie, Jasanoff i jego uczniowie postanowili zaprojektować czujnik, który mógłby przekształcić światło w sygnał magnetyczny.

„Chcieliśmy stworzyć czujnik magnetyczny, który lokalnie reaguje na światło, a zatem nie podlega absorpcji ani rozpraszaniu. Ten detektor światła można następnie obrazować za pomocą MRI” – mówi.

Laboratorium Jasanoffa opracowało wcześniej czujniki MRI, które mogą wchodzić w interakcje z różnymi cząsteczkami w mózgu, w tym z dopaminą i wapniem. Kiedy te sondy wiążą się z celami, wpływają na interakcje magnetyczne czujnika z otaczającą tkanką, powodując przyciemnienie lub rozjaśnienie sygnału MRI.

Aby stworzyć światłoczułą sondę MRI, naukowcy postanowili zamknąć cząstki magnetyczne w nanocząstce zwanej liposomem. Liposomy użyte w tym badaniu składały się ze specjalistycznych, światłoczułych lipidów opracowanych wcześniej przez firmę Trauner. Kiedy te lipidy są wystawione na działanie światła o określonej długości fali, liposomy stają się bardziej przepuszczalne dla wody lub „przeciekają”. Pozwala to znajdującym się wewnątrz cząsteczkom magnetycznym na interakcję z wodą i generowanie sygnału, który można wykryć za pomocą rezonansu magnetycznego.

Cząsteczki, które naukowcy nazwali reporterami nanocząstek lipidowych (LisNR), mogą przechodzić z przepuszczalnych do nieprzepuszczalnych w zależności od rodzaju światła, na które są wystawione. W tym badaniu naukowcy stworzyli cząsteczki, które wyciekają pod wpływem światła ultrafioletowego, a następnie ponownie stają się nieprzezroczyste pod wpływem światła niebieskiego. Naukowcy wykazali również, że cząsteczki mogą reagować na inne długości fal światła.

„Ten artykuł pokazuje nowatorski czujnik umożliwiający wykrywanie fotonów za pomocą MRI przezmózgowego. Ta pouczająca praca przedstawia nową drogę do skorelowania badań neuroobrazowania sterowanych fotonami i protonami” – mówi Xin Yu, profesor nadzwyczajny radiologii w Harvard Medical School, który nie był zaangażowany w badanie.

Mapy jasne

Naukowcy przetestowali czujniki w mózgach myszy -; W szczególności w części mózgu zwanej prążkowiem, która bierze udział w planowaniu ruchu i reakcji na nagrodę. Po wstrzyknięciu cząstek w obrys, naukowcy byli w stanie zmapować rozkład światła z umieszczonego w pobliżu światłowodu.

Włókna, których użyli, są podobne do tych używanych w stymulacji optogenetycznej, mówi Jasanoff, więc ten rodzaj wykrywania może być przydatny dla naukowców prowadzących eksperymenty optogenetyczne w mózgu.

„Nie oczekujemy, że każdy, kto pracuje w optogenetyce, będzie używał tego w każdym eksperymencie – jest to raczej coś, co zrobisz raz na jakiś czas, aby zobaczyć, czy model, którego używasz, faktycznie wytwarza profil światła, o którym myślisz” mówi Jasanoff.

W przyszłości ten typ czujnika może być również przydatny do monitorowania pacjentów poddawanych zabiegom wykorzystującym światło, takim jak terapia fotodynamiczna, która wykorzystuje laser lub światło LED do zabijania komórek nowotworowych.

Naukowcy pracują obecnie nad podobnymi czujnikami, które można by wykorzystać do wykrywania światła emitowanego przez lucyferazy, rodzinę świecących białek często używanych w eksperymentach biologicznych. Białka te można wykorzystać do wykrycia, czy określony gen jest aktywny, ale obecnie można je wizualizować tylko w tkankach powierzchniowych lub komórkach rosnących w naczyniu laboratoryjnym.

Jasanoff ma również nadzieję, że wykorzysta strategię zastosowaną w czujniku LisNR do zaprojektowania czujników MRI, które mogą wykrywać bodźce inne niż światło, takie jak neurochemikalia lub inne cząsteczki w mózgu.

„Uważamy, że zasada, której używamy do budowy tych czujników, jest bardzo szeroka i może być wykorzystywana również do innych celów” – mówi.

Badania zostały sfinansowane przez National Institutes of Health, Fundację G. Harolda i Leyla Y. European Commission.