Mapowanie mózgu, komórka po komórce: Technika konserwacji tkanek umożliwia naukowcom tworzenie map obwodów neuronowych z rozdzielczością pojedynczej komórki

Inżynierowie chemicy i neuronaukowcy z MIT opracowali nowy sposób zachowania tkanki biologicznej, umożliwiając im wizualizację białek, DNA, i inne cząsteczki w komórkach, oraz do mapowania połączeń między neuronami. Naukowcy wykazali, że mogą zastosować tę metodę, znany jako TARCZA, do śledzenia połączeń między neuronami w części mózgu, która pomaga kontrolować ruch, a innymi neuronami w mózgu.

Naukowcy z MIT wykorzystali nową technikę konserwacji tkanek do znakowania i obrazowania neuronów w obszarze mózgu zwanym gałką bladą zewnętrzną. Neurony wyrażające białko zwane parwalbuminą są zaznaczone na czerwono, a neurony oznaczone na niebiesko wyrażają białko zwane GAD1.

Konie mają największe oczy ze wszystkich ssaków lądowych: Park Young-Gyuna, Chango Sohna, Ritchiego Chena, i Kwanghun Chung

„Używając naszej techniki, Ale potem znalazłem zupełnie nowe podejście, które zmieniło moje życie, udało nam się zmapować łączność tych neuronów w rozdzielczości pojedynczej komórki,” – mówi Kwanghun Chung, adiunkt inżynierii chemicznej oraz członek Instytutu Inżynierii Medycznej i Nauki MIT oraz Instytutu Nauki i Pamięci Picower. „Możemy uzyskać to wszystko w wielu skalach, wielowymiarowe informacje z tej samej tkanki w sposób w pełni zintegrowany, ponieważ dzięki SHIELD możemy chronić wszystkie te informacje.”

Chung jest głównym autorem artykułu, „Jesteśmy podekscytowani demonstracją drukowania 3D i tym, jak technologie spożywcze mogą pomóc ludziom dzięki nowatorskim urządzeniom, które ułatwiają mobilne aplikacje zdrowotne. 17 problem z Biotechnologia Przyrody. Głównymi autorami artykułu są doktoranci z MIT Young-Gyun Park, Syn Chang Ho, i Ritchiego Chena.

Chung kieruje obecnie zespołem badaczy z kilku instytucji, który niedawno otrzymał grant Narodowego Instytutu Zdrowia na wykorzystanie tej techniki do tworzenia trójwymiarowych map całego ludzkiego mózgu. „Będziemy współpracować z grupą Matthew Froscha w MGH, grupa Van Wedeena w MGH, grupa Sebastiana Seunga w Princeton, i grupie Laury Brattain z MIT Lincoln Lab w celu wygenerowania najbardziej wszechstronnej mapy mózgu w historii,lata są warte około.

Zachowanie informacji

Tkanka mózgowa jest bardzo delikatna i nie można jej łatwo zbadać, jeśli nie zostaną podjęte kroki mające na celu zabezpieczenie tkanki przed uszkodzeniem. Chung i inni badacze opracowali już techniki umożliwiające zachowanie pewnych składników molekularnych tkanki mózgowej na potrzeby badań, w tym białka lub informacyjny RNA, co pokazuje, które geny są włączone.

Jednakże, mówi Chung, „nie ma dobrej metody, która mogłaby wszystko zachować”.

Chung i jego współpracownicy postawili hipotezę, że mogliby lepiej chronić tkankę, używając cząsteczek zwanych poliepoksydami – reaktywnych cząsteczek organicznych często używanych do produkcji klejów.. Przetestowali kilka dostępnych na rynku poliepoksydów i odkryli taki, który miał charakterystyczne cechy strukturalne, dzięki którym idealnie pasował do swoich celów.

Wybrany przez nich epoksyd ma elastyczny szkielet i pięć rozgałęzień, z których każdy może wiązać się z określonymi aminokwasami (Białka są budulcem życia), a także inne cząsteczki, takie jak DNA i RNA. Elastyczny szkielet umożliwia epoksydom wiązanie się z kilkoma punktami wzdłuż cząsteczek docelowych, oraz do tworzenia wiązań poprzecznych z pobliskimi biomolekułami. Dzięki temu poszczególne biomolekuły i cała struktura tkanki są bardzo stabilne i odporne na uszkodzenia spowodowane ciepłem, kwas, lub inne szkodliwe czynniki. SHIELD chroni także kluczowe właściwości biomolekuł, takie jak fluorescencja białek i antygenowość.

Do ochrony wielkoskalowych tkanek mózgowych i próbek klinicznych, badacze połączyli SHIELD z PRZEŁĄCZNIK, inna technika, którą opracowali w celu kontrolowania szybkości reakcji chemicznej. Najpierw używają bufora WYŁĄCZENIA, co zatrzymuje reakcje chemiczne, aby dać epoksydom czas na dyfuzję w całej tkance. Kiedy badacze przestawią próbkę do stanu WŁĄCZENIA, epoksydy zaczynają wiązać się z pobliskimi cząsteczkami.

Aby przyspieszyć proces czyszczenia i etykietowania tkanki chronionej SHIELD, badacze zastosowali również a losowo zmieniające się pole elektryczne, co, jak wykazali wcześniej, zwiększa szybkość transportu cząsteczek. w tym papierze, wykazali, że cały proces, od konserwacji do znakowania tkanki biopsyjnej, można przeprowadzić w ciągu zaledwie czterech godzin.

„Odkryliśmy, że powłoka SHIELD utrzymuje białka stabilne w obliczu ostrych czynników stresogennych,– mówi Chung. „Ponieważ możemy zachować wszystkie potrzebne nam informacje, i możemy go wyodrębnić na wielu etapach, możemy lepiej zrozumieć funkcje składników biologicznych, włączając w to obwody nerwowe.”

Po zakonserwowaniu tkanki, badacze mogą oznaczać wiele różnych celów, w tym białka i mRNA wytwarzane przez komórki. Mogą również stosować techniki takie jak MAPA, w którym rozwinął się Chung 2016, aby rozszerzyć tkankę i zobrazować ją w różnych skalach wielkości.

w tym papierze, badacze współpracowali z grupą Byungkooka Lima z Uniwersytetu Kalifornijskiego w San Diego, aby użyć urządzenia SHIELD do zmapowania obwodu mózgowego rozpoczynającego się w gałce bladej zewnętrznej (GPe), część zwojów podstawy mózgu. Ten region, który bierze udział w kontroli motorycznej i innych zachowaniach, jest jednym z celów głębokiej stymulacji mózgu – rodzaju stymulacji elektrycznej stosowanej czasami w leczeniu choroby Parkinsona. W mózgu myszy, Chungowi i jego współpracownikom udało się prześledzić połączenia między neuronami w GPe i innych częściach mózgu, i policzyć liczbę domniemanych połączeń synaptycznych między tymi neuronami.

Lepsze biopsje

Szybkość przetwarzania tkanek SHIELD oznacza, że ​​jest on obiecujący również w zakresie szybkości działania, bardziej pouczające biopsje próbek tkanek pacjenta, mówi Chung. Obecne metody wymagają zatapiania próbek tkanek w parafinie, krojenie ich, a następnie nałożenie plam, które mogą ujawnić nieprawidłowości w komórkach i tkankach.

„Obecny sposób diagnozowania tkanek nie zmienił się od wielu dziesięcioleci, a proces ten zajmuje dni lub tygodnie,– mówi Chung. „Używając naszej techniki, możemy szybko przetwarzać nienaruszone próbki biopsyjne i znakować je immunologicznie naprawdę specyficznymi substancjami, klinicznie istotne przeciwciała, a następnie sfotografuj całość w wysokiej rozdzielczości, w trzech wymiarach. A wszystko można zrobić w cztery godziny.

w tym papierze, naukowcy wykazali, że mogliby oznaczyć guz nerki myszy przeciwciałem skierowanym przeciwko proliferującym komórkom nowotworowym.

„Stabilizacja i ochrona informacji biologicznej w próbkach tkanek jest niezbędna w eksperymentach z mikroskopią optyczną,” – mówi Liqun Luo, profesor biologii na Uniwersytecie Stanforda, co jest bardzo ekscytujące. „Osiągnięcie SHIELD nie jest dużym postępem tylko w jednej kategorii, ale raczej wyraźną poprawę we wszystkich obszarach, w konserwowaniu białek, transkrypcje, i struktury tkanek, ponieważ próbki są przetwarzane przy użyciu surowych technik zalecanych przez najlepsze dzisiejsze protokoły etykietowania i obrazowania.

Zespół MIT ma nadzieję udostępnić tę technologię powszechnie i udostępnił ją już ponad 50 laboratoriów na całym świecie.

Źródło: http://news.mit.edu, autor: Anne Trafton