Картирование мозга, ячейка за ячейкой: Техника сохранения ткани позволяет исследователям создавать карты нейронных цепей с разрешением одной клетки.

MIT инженеры-химики и нейрофизиологи разработали новый способ сохранения биологической ткани, позволяя им визуализировать белки, ДНК, и другие молекулы в клетках, и наметить связи между нейронами. Исследователи показали, что они могли бы использовать этот метод, известный как SHIELD, проследить связи между нейронами в части мозга, которая помогает движению управления и другие нейроны по всему мозгу.

Исследователи Массачусетского технологического института использовали свою новую технику сохранения тканей для маркировки и изображения нейронов в области мозга, называемой наружным бледным шаром.. Нейроны, экспрессирующие белок парвальбумин, отмечены красным., а нейроны, отмеченные синим цветом, экспрессируют белок под названием GAD1..

Образ: Пак Ён-Гюн, Чанхо Сон, Ричи Чен, и Кванхун Чунг

«Используя нашу технику, в первый раз, нам удалось отобразить связи этих нейронов с разрешением одной клетки.,» говорит Кванхун Чунг, доцент кафедры химического машиностроения и член Института медицинской инженерии и науки Массачусетского технологического института и Института обучения и памяти Пикауэра.. «Мы можем получить все это многомасштабное, многомерную информацию из одной и той же ткани полностью интегрированным образом, потому что с помощью SHIELD мы можем защитить всю эту информацию».

Чанг — старший автор статьи, который появляется в декабре. 17 вопрос Природная биотехнология. Ведущими авторами статьи являются постдоки Массачусетского технологического института Пак Ён-Гюн., Чанг Хо сын, и Ричи Чен.

В настоящее время Чанг возглавляет группу исследователей из нескольких учреждений, которые недавно получили грант Национального института здравоохранения на использование этой техники для создания трехмерных карт всего человеческого мозга.. «Мы будем работать с группой Мэтью Фроша в MGH., группа Ван Ведина в MGH, группа Себастьяна Сына в Принстоне, и группа Лоры Брэттейн из Лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института, чтобы создать наиболее полную карту мозга на сегодняшний день.," он говорит.

Сохранение информации

Мозговая ткань очень тонкая и не может быть легко изучена, если не будут приняты меры для сохранения ткани от повреждений. Чанг и другие исследователи ранее разработали методы, позволяющие им сохранять определенные молекулярные компоненты ткани мозга для исследования, в том числе белков или РНК, который показывает, какие гены включены.

тем не мение, Chung говорит, «Нет хорошего метода, который может сохранить все.»

Чанг и его коллеги предположили, что они смогут лучше сохранять ткани, используя молекулы, называемые полиэпоксидами — реактивные органические молекулы, которые часто используются для производства клеев.. Они протестировали несколько коммерчески доступных полиэпоксидов и обнаружили один, который имел отличительные структурные особенности, которые сделали его идеально подходящим для их целей..

Эпоксид, который они выбрали, имеет гибкую основу и пять разветвлений., каждый из которых может связываться с определенными аминокислотами (строительные блоки белков), а также другие молекулы, такие как ДНК и РНК. Гибкая основная цепь позволяет эпоксидам связываться с несколькими точками вдоль целевых молекул., и образовывать поперечные связи с близлежащими биомолекулами. Это делает отдельные биомолекулы и всю структуру ткани очень стабильными и устойчивыми к повреждению от тепла., кислота, или другие вредные агенты. SHIELD также защищает ключевые свойства биомолекул., такие как флуоресценция белка и антигенность.

Для защиты крупных тканей головного мозга и клинических образцов., исследователи объединили SHIELD с ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ, еще один метод, который они разработали для контроля скорости химической реакции.. Сначала они используют буфер ВЫКЛЮЧЕНИЯ, который останавливает химические реакции, чтобы дать эпоксидам время диффундировать через всю ткань. Когда исследователи переводят образец в состояние ВКЛЮЧЕНИЯ, эпоксиды начинают связываться с близлежащими молекулами.

Для ускорения процесса очистки и маркировки тканей, защищенных SHIELD., исследователи также применили случайно меняющееся электрическое поле, которые они ранее показали, увеличивает скорость транспортировки молекул. В этом документе, они показали, что весь процесс от сохранения к маркировке ткани биопсии может быть выполнен всего за четыре часа.

«Мы обнаружили, что этот щит покрытие сохраняет стабильные белки против жестких стрессовых факторов,»Chung говорит. «Потому что мы можем сохранить всю информацию, которую мы хотим, и мы можем извлечь его на несколько этапов, мы можем лучше понять функции биологических компонентов, в том числе нейронных цепей «.

Когда ткань сохраняется, исследователи могут маркировать множество различных целей, включая белки и мРНК, вырабатываемые клетками. Они также могут применять такие методы, как КАРТА, который Чунг разработал в 2016, расширить ткань и отобразить ее в разных масштабах.

В этом документе, Исследователи работали с группой Бёнгука Лима из Калифорнийского университета в Сан-Диего, чтобы использовать SHIELD для картирования мозговой цепи, которая начинается в наружном бледном шаре. (ГПе), часть базальных ганглиев головного мозга. Этот регион, который участвует в контроле моторики и других формах поведения, является одной из целей глубокой стимуляции мозга — типа электрической стимуляции, иногда используемой для лечения болезни Паркинсона.. В мозгу мыши, Чанг и его коллеги смогли проследить связи между нейронами в ГПЭ и других частях мозга., и подсчитать количество предполагаемых синаптических связей между этими нейронами..

Лучшие биопсии

Скорость обработки тканей SHIELD означает, что он также обещает возможность быстрого выполнения, более информативная биопсия образцов тканей пациента, Chung говорит. Современные методы требуют заливки образцов тканей парафином., нарезая их, а затем нанесение пятен, которые могут выявить аномалии клеток и тканей..

«Нынешний способ диагностики тканей не изменился за многие десятилетия., и этот процесс занимает дни или недели,»Chung говорит. «Используя нашу технику, мы можем быстро обработать неповрежденные образцы биопсии и пометить их иммунометками действительно специфическими, клинически значимые антитела, а затем сфотографируйте все это в высоком разрешении, в трех измерениях. И все, что может быть сделано в четыре часа «.

В этом документе, исследователи показали, что они могут маркировать опухоль почки мыши с антителом, мишенью раковых клеток пролиферирующей.

«Стабилизация и сохранение биологической информации в образцах ткани имеет важное значение в экспериментах для оптической микроскопии,«Говорит Ликун Ло, профессор биологии Стэнфордского университета, который не принимал участия в исследовании. «Достижение SHIELD не большой прогресс только в одной категории, а заметное улучшение по всем направлениям, в сохранении белков, транскрипты, и структура ткани, поскольку образцы обрабатываются с помощью жестких методов, предписанных лучшими на сегодняшний день протоколами маркировки и визуализации».

Команда MIT надеется сделать эту технологию широко доступной и уже распространила ее более чем на 50 лаборатории по всему миру.

Источник: HTTP://news.mit.edu, Энн Трэфтону