Cartographier le cerveau, cellule par cellule: La technique de préservation des tissus permet aux chercheurs de créer des cartes de circuits neuronaux avec une résolution unicellulaire

Des ingénieurs chimistes et des neuroscientifiques du MIT ont mis au point une nouvelle façon de préserver les tissus biologiques, leur permettant de visualiser les protéines, ADN, et d'autres molécules dans les cellules, et de cartographier les connexions entre les neurones. Les chercheurs ont montré qu'ils pouvaient utiliser cette méthode, connu sous le nom de BOUCLIER, pour tracer les connexions entre les neurones dans une partie du cerveau qui aide à contrôler le mouvement et d'autres neurones dans tout le cerveau.

Les chercheurs du MIT ont utilisé leur nouvelle technique de préservation des tissus pour étiqueter et imager les neurones dans une région du cerveau appelée globus pallidus externa. Les neurones qui expriment une protéine appelée parvalbumine sont marqués en rouge, et les neurones marqués en bleu expriment une protéine appelée GAD1.

Image: Parc Young-Gyun, Changho Sohn, --Ritchie Chen, et Kwanghun Chung

« Grâce à notre technique, pour la première fois, nous avons pu cartographier la connectivité de ces neurones à une résolution unicellulaire," dit Kwanghun Chung, professeur adjoint de génie chimique et membre de l'Institut pour l'ingénierie médicale et des sciences et de l'Institut Picower pour l'apprentissage et la mémoire du MIT. « Nous pouvons obtenir tout cela multiscale, informations multidimensionnelles du même tissu d'une manière totalement intégrée, car avec SHIELD nous pouvons protéger toutes ces informations « .

Chung est l'auteur principal du document, qui apparaît dans le décembre. 17 problème de Nature Biotechnology. les principaux auteurs du papier sont MIT postdoctorants Young-Gyun Parc, Chang Ho Sohn, et Ritchie Chen.

Chung dirige maintenant une équipe de chercheurs de plusieurs institutions qui ont récemment reçu une subvention des National Institutes of Health pour utiliser cette technique afin de produire des cartes tridimensionnelles de l'ensemble du cerveau humain.. "Nous travaillerons avec le groupe Matthew Frosch à l'HGM, le groupe Van Wedeen au MGH, le groupe Sebastian Seung à Princeton, et le groupe Laura Brattain du MIT Lincoln Lab pour générer la carte cérébrale la plus complète à ce jour," il dit.

Préserver les informations

Le tissu cérébral est très délicate et ne peut pas être facilement étudié à moins que des mesures soient prises pour préserver le tissu des dommages. Chung et d'autres chercheurs ont mis au point des techniques précédemment qui leur permettent de conserver certains composants moléculaires du tissu cérébral pour la recherche, y compris les protéines ou les ARN messagers, qui révèle que les gènes sont activés.

toutefois, dit Chung, « Il n'y a pas de bonne méthode qui peut tout conserver. »

Chung et ses collègues ont émis l'hypothèse qu'ils pourraient mieux préserver les tissus en utilisant des molécules appelées polyépoxydes - des molécules organiques réactives qui sont souvent utilisées pour produire des colles. Ils ont testé plusieurs polyépoxydes disponibles dans le commerce et en ont découvert un qui avait des caractéristiques structurelles distinctives qui le rendaient parfaitement adapté à leurs besoins..

L'époxyde qu'ils ont choisi a un squelette flexible et cinq branches, dont chacun peut se lier à certains acides aminés (les éléments constitutifs des protéines), ainsi que d'autres molécules telles que l'ADN et l'ARN. Le squelette flexible permet aux époxydes de se lier à plusieurs points le long des molécules cibles, et pour former des liens croisés avec des biomolécules voisines. Cela rend les biomolécules individuelles et l'ensemble de la structure tissulaire très stables et résistantes aux dommages causés par la chaleur, acide, ou d'autres agents nocifs. SHIELD protège également les propriétés clés des biomolécules, comme la fluorescence des protéines et l'antigénicité.

Pour protéger les tissus cérébraux à grande échelle et les échantillons cliniques, les chercheurs ont combiné SHIELD avec CHANGER, une autre technique qu'ils ont développée pour contrôler la vitesse de réaction chimique. Ils utilisent d'abord le tampon SWITCH-OFF, qui stoppe les réactions chimiques, donner aux époxydes le temps de se diffuser à travers tout le tissu. Lorsque les chercheurs déplacent l'échantillon à l'état SWITCH-ON, les époxydes commencent à se lier aux molécules voisines.

Pour accélérer le processus de nettoyage et d'étiquetage des tissus protégés par SHIELD, les chercheurs ont également appliqué une champ électrique changeant au hasard, dont ils ont précédemment montré qu'il augmente le taux de transport des molécules. Dans cet article, ils ont montré que l'ensemble du processus, de la conservation à l'étiquetage des tissus de biopsie, pouvait être effectué en seulement quatre heures.

"Nous avons constaté que ce revêtement SHIELD maintient les protéines stables contre les facteurs de stress sévères," dit Chung. « Parce que nous pouvons conserver toutes les informations que nous voulons, et nous pouvons l'extraire en plusieurs étapes, nous pouvons mieux comprendre les fonctions des composants biologiques, y compris les circuits neuronaux.

Une fois le tissu préservé, les chercheurs peuvent étiqueter une variété de cibles différentes, y compris les protéines et l'ARNm produits par les cellules. Ils peuvent également appliquer des techniques telles que CARTE, que Chung a développé dans 2016, pour étendre le tissu et l'imager à différentes échelles de taille.

Dans cet article, les chercheurs ont travaillé avec le groupe de Byungkook Lim à l'Université de Californie à San Diego pour utiliser SHIELD pour cartographier un circuit cérébral qui commence dans le globus pallidus externa (GPe), partie des ganglions de la base du cerveau. Cette région, qui est impliqué dans le contrôle moteur et d'autres comportements, est l'une des cibles de la stimulation cérébrale profonde - un type de stimulation électrique parfois utilisé pour traiter la maladie de Parkinson. Dans le cerveau de la souris, Chung et ses collègues ont pu tracer les connexions entre les neurones du GPe et d'autres parties du cerveau, et de compter le nombre de connexions synaptiques putatives entre ces neurones.

De meilleures biopsies

La vitesse de traitement des tissus SHIELD signifie qu'il est également prometteur pour effectuer rapidement, biopsies plus d'information sur des échantillons de tissus du patient, dit Chung. Les méthodes actuelles nécessitent d'intégrer des échantillons de tissu avec de la paraffine, les trancher, et appliquer ensuite les taches qui peuvent révéler des anomalies des cellules et de tissus.

« La façon actuelle de faire le diagnostic des tissus n'a pas changé depuis plusieurs décennies, et le processus prend des jours ou des semaines," dit Chung. « Grâce à notre technique, nous pouvons traiter rapidement des échantillons de biopsie intacts et les immuno-étiquette avec vraiment spécifique, anticorps cliniquement pertinents, puis l'image la chose à haute résolution, en trois dimensions. Et tout peut être fait en quatre heures.

Dans cet article, les chercheurs ont montré qu'ils pouvaient étiqueter une tumeur rénale de souris avec un anticorps qui cible les cellules cancéreuses en prolifération.

"La stabilisation et la préservation des informations biologiques dans les échantillons de tissus sont essentielles dans les expériences de microscopie optique," dit Liqun Luo, professeur de biologie à l'université de Stanford, qui n'a pas été impliqué dans la recherche. "La réalisation du SHIELD n'est pas une grande avancée dans une seule catégorie, mais des améliorations plutôt marquées à tous les niveaux, dans la conservation des protéines, transcriptions, et la structure des tissus, car les échantillons sont traités par les techniques rigoureuses prescrites par les meilleurs protocoles d'étiquetage et d'imagerie d'aujourd'hui.

L'équipe du MIT espère rendre cette technologie largement disponible et l'a déjà distribuée à plus de 50 laboratoires du monde entier.

La source: http://news.mit.edu, par Anne Trafton