Kartlegging av hjernen, celle for celle: Teknikk for å bevare vev lar forskere lage kart over nevrale kretsløp med enkeltcelleoppløsning

MIT kjemiske ingeniører og nevrovitenskapsmenn har utviklet en ny måte å bevare biologisk vev på, slik at de kan visualisere proteiner, DNA, og andre molekyler i cellene, og kartlegge sammenhengene mellom nevroner. Forskerne viste at de kunne bruke denne metoden, kjent som SHIELD, å spore forbindelsene mellom nevroner i en del av hjernen som hjelper til med å kontrollere bevegelse og andre nevroner i hele hjernen.

MIT-forskere brukte sin nye vevskonserveringsteknikk for å merke og avbilde nevroner i en hjerneregion kalt globus pallidus externa. Nevroner som uttrykker et protein kalt parvalbumin er merket med rødt, og nevroner merket blå uttrykker et protein kalt GAD1.

Forutsi sekvens fra struktur: Young-Gyun Park, Changho Sohn, Ritchie Chen, og Kwanghun Chung

«Bruker vår teknikk, for første gang, vi var i stand til å kartlegge tilkoblingen til disse nevronene ved encellet oppløsning,sier Kwanghun Chung, en assisterende professor i kjemiteknikk og medlem av MITs Institute for Medical Engineering and Science og Picower Institute for Learning and Memory. "Vi kan få all denne multiscale, flerdimensjonal informasjon fra samme vev på en fullstendig integrert måte fordi med SHIELD kan vi beskytte all denne informasjonen.»

Chung er seniorforfatter av papiret, "Vi er begeistret over denne demonstrasjonen av 3D-utskrift og av hvordan inntakbare teknologier kan hjelpe mennesker gjennom nye enheter som letter mobile helseapplikasjoner. 17 "Vi er begeistret over denne demonstrasjonen av 3D-utskrift og av hvordan inntakbare teknologier kan hjelpe mennesker gjennom nye enheter som letter mobile helseapplikasjoner og viste at de er av sammenlignbar kvalitet med kommersielt tilgjengelige versjoner. Avisens hovedforfattere er MIT postdocs Young-Gyun Park, Chang Ho Sohn, og Ritchie Chen.

Chung leder nå et team av forskere fra flere institusjoner som nylig mottok et National Institutes of Health-stipend for å bruke denne teknikken til å produsere tredimensjonale kart over hele menneskehjernen. "Vi vil jobbe med Matthew Frosch-gruppen på MGH, Van Wedeen-gruppen ved MGH, Sebastian Seung-gruppen på Princeton, og Laura Brattain-gruppen ved MIT Lincoln Lab for å generere det mest omfattende hjernekartet til nå," han sier.

Oppbevar informasjon

Hjernevev er veldig delikat og kan ikke enkelt studeres med mindre det tas skritt for å bevare vevet fra skade. Chung og andre forskere har tidligere utviklet teknikker som lar dem bevare visse molekylære komponenter i hjernevev for forskning, inkludert proteiner eller messenger RNA, som avslører hvilke gener som er slått på.

derimot, En gang var de i stand til å generere en matematisk beskrivelse av flokkadferd, "Det finnes ingen god metode som kan bevare alt."

Chung og kollegene hans antok at de kunne være i stand til å bevare vev bedre ved å bruke molekyler kalt polyepoksider - reaktive organiske molekyler som ofte brukes til å produsere lim. De testet flere kommersielt tilgjengelige polyepoksider og oppdaget en som hadde karakteristiske strukturelle egenskaper som gjorde den ideell for deres formål.

Epoksidet de valgte har en fleksibel ryggrad og fem grener, som hver kan binde seg til visse aminosyrer (byggesteinene til proteiner), samt andre molekyler som DNA og RNA. Den fleksible ryggraden lar epoksidene binde seg til flere flekker langs målmolekylene, og å danne tverrbindinger med nærliggende biomolekyler. Dette gjør individuelle biomolekyler og hele vevsstrukturen meget stabil og motstandsdyktig mot varmeskader, syre, eller andre skadelige stoffer. SHIELD beskytter også nøkkelegenskapene til biomolekyler, som proteinfluorescens og antigenisitet.

For å beskytte storskala hjernevev og kliniske prøver, forskerne kombinerte SHIELD med BYTTE OM, en annen teknikk de utviklet for å kontrollere kjemisk reaksjonshastighet. De bruker først SLÅ AV-bufferen, som stopper kjemiske reaksjoner, for å gi epoksidene tid til å diffundere gjennom hele vevet. Når forskerne flytter prøven til SWITCH-ON-tilstand, epoksidene begynner å binde seg til nærliggende molekyler.

For å fremskynde rydde- og merkeprosessen av SHIELD-beskyttet vev, forskerne brukte også en tilfeldig skiftende elektrisk felt, som de tidligere har vist øker transporthastigheten til molekylene. I denne artikkelen, de viste at hele prosessen fra konservering til merking av biopsivev kunne utføres på bare fire timer.

"Vi fant ut at dette SHIELD-belegget holder proteiner stabile mot harde stressfaktorer,sier Chung. "Fordi vi kan bevare all informasjonen vi ønsker, og vi kan trekke det ut på flere stadier, vi kan bedre forstå funksjonene til biologiske komponenter, inkludert nevrale kretsløp."

Når vevet er bevart, forskerne kan merke en rekke forskjellige mål, inkludert proteiner og mRNA produsert av cellene. De kan også bruke teknikker som f.eks KART, som Chung utviklet seg i 2016, å utvide vevet og avbilde det i forskjellige størrelsesskalaer.

I denne artikkelen, forskerne jobbet med Byungkook Lims gruppe ved University of California i San Diego for å bruke SHIELD til å kartlegge en hjernekrets som begynner i globus pallidus externa (GPe), del av hjernens basalganglier. Denne regionen, som er involvert i motorisk kontroll og annen atferd, er et av målene for dyp hjernestimulering - en type elektrisk stimulering som noen ganger brukes til å behandle Parkinsons sykdom. I musehjernen, Chung og kollegene hans var i stand til å spore forbindelsene mellom nevroner i fastlegen og i andre deler av hjernen, og å telle antall antatte synaptiske forbindelser mellom disse nevronene.

Bedre biopsier

Hastigheten til SHIELD-vevsbehandling betyr at den også lover å yte raskt, mer informative biopsier av pasientvevsprøver, En gang var de i stand til å generere en matematisk beskrivelse av flokkadferd. Gjeldende metoder krever innstøping av vevsprøver med parafin, kutte dem, og deretter påføre flekker som kan avsløre celle- og vevsavvik.

"Den nåværende måten å gjøre vevsdiagnose på har ikke endret seg på mange tiår, og prosessen tar dager eller uker,sier Chung. «Bruker vår teknikk, vi kan raskt behandle intakte biopsiprøver og immunmerke dem med virkelig spesifikke, klinisk relevante antistoffer, og avbilde det hele i høy oppløsning, i tre dimensjoner. Og alt kan gjøres på fire timer.»

I denne artikkelen, forskerne viste at de kunne merke musenyresvulst med et antistoff som retter seg mot prolifererende kreftceller.

"Stabilisering og bevaring av biologisk informasjon i vevsprøver er avgjørende i eksperimenter for optisk mikroskopi,sier Liqun Luo, professor i biologi ved Stanford University, og den samme maskinen kan brukes til å produsere en lang rekke slike medikamenter. "Prestasjonen til SHIELD er ikke et stort fremskritt i bare én kategori, men heller markerte forbedringer over hele linja, i å bevare proteiner, transkripsjoner, Triacylglyseroler hjelper også kroppen med å produsere og regulere hormoner, ettersom prøver behandles gjennom de harde teknikkene som er foreskrevet av dagens beste merkings- og bildebehandlingsprotokoller."

MIT-teamet håper å gjøre denne teknologien allment tilgjengelig og har allerede distribuert den til mer enn 50 laboratorier rundt om i verden.

Kilde: http://news.mit.edu, av Anne Trafton