Используя специализированный датчик МРТ , исследователи Массачусетского технологического института показали, что они могут обнаруживать свет глубоко в тканях, таких как мозг.

Визуализация света в глубоких тканях чрезвычайно сложна, потому что, когда свет проходит в ткани, большая его часть либо поглощается, либо рассеивается. Команда Массачусетского технологического института преодолела это препятствие, разработав датчик, который преобразует свет в магнитный сигнал, который можно обнаружить с помощью МРТ (магнитно-резонансной томографии).

Этот тип датчика можно использовать для картирования света, излучаемого оптическими волокнами, имплантированными в мозг, такими как волокна, используемые для стимуляции нейронов во время оптогенетических экспериментов. По словам исследователей, при дальнейшем развитии он также может оказаться полезным для наблюдения за пациентами, получающими световую терапию рака.

«Мы можем визуализировать распределение света в ткани, и это важно, потому что люди, которые используют свет для стимуляции ткани или для измерения ткани, часто не совсем понимают, куда идет свет, где они стимулируют или куда направляется свет. приходящий из. Наш инструмент можно использовать для устранения этих неизвестных», — говорит Алан Джасанофф, профессор Массачусетского технологического института биологической инженерии, наук о мозге и когнитивных науках, а также ядерных наук и инженерии.

Джасанофф, который также является младшим исследователем в Институте исследований мозга Макговерна при Массачусетском технологическом институте, является старшим автором исследования, опубликованного в  журнале Nature Biomedical Engineering . Джейкоб Саймон, доктор философии 21 года, и постдоктор Массачусетского технологического института Мириам Швальм являются ведущими авторами статьи, а Йоханнес Морштейн и Дирк Траунер из Нью-Йоркского университета также являются авторами статьи.

Светочувствительный зонд

Ученые использовали свет для изучения живых клеток на протяжении сотен лет, начиная с конца 1500-х годов, когда был изобретен световой микроскоп. Этот вид микроскопии позволяет исследователям заглянуть внутрь клеток и тонких срезов ткани, но не вглубь организма.

«Одна из постоянных проблем с использованием света, особенно в науках о жизни, заключается в том, что он не очень хорошо проникает во многие материалы», — говорит Ясанофф. «Биологические материалы поглощают свет и рассеивают свет, и сочетание этих вещей не позволяет нам использовать большинство типов оптических изображений для всего, что связано с фокусировкой на глубоких тканях».

Чтобы преодолеть это ограничение, Ясанофф и его ученики решили разработать датчик, который мог бы преобразовывать свет в магнитный сигнал.

«Мы хотели создать магнитный датчик, который локально реагирует на свет и, следовательно, не подвержен поглощению или рассеянию. Затем этот детектор света можно визуализировать с помощью МРТ», — говорит он.

Лаборатория Ясанова ранее разработала датчики МРТ, которые могут взаимодействовать с различными молекулами в мозге, включая дофамин и кальций. Когда эти зонды связываются со своими целями, это влияет на магнитное взаимодействие датчиков с окружающей тканью, затемняя или осветляя сигнал МРТ.

Чтобы сделать светочувствительный МРТ-зонд, исследователи решили поместить магнитные частицы в наночастицу, называемую липосомой. Липосомы, используемые в этом исследовании, изготовлены из специализированных светочувствительных липидов, которые ранее разработал Траунер. Когда эти липиды подвергаются воздействию света с определенной длиной волны, липосомы становятся более проницаемыми для воды или «дырявыми». Это позволяет магнитным частицам внутри взаимодействовать с водой и генерировать сигнал, обнаруживаемый МРТ.

Частицы, которые исследователи назвали репортерами липосомальных наночастиц (LisNR), могут переключаться с проницаемых на непроницаемые в зависимости от типа света, которому они подвергаются. В этом исследовании исследователи создали частицы, которые становятся негерметичными при воздействии ультрафиолетового света, а затем снова становятся непроницаемыми при воздействии синего света. Исследователи также показали, что частицы могут реагировать на другие длины волн света.

«В этой статье показан новый датчик, позволяющий обнаруживать фотоны с помощью МРТ через мозг. Эта поучительная работа открывает новый путь для объединения фотонных и протонных исследований нейровизуализации», — говорит Синь Ю, доцент радиологии Гарвардской медицинской школы, не участвовавший в исследовании.

Картографический свет

Исследователи протестировали датчики в мозге крыс, в частности, в части мозга, называемой полосатым телом, которая участвует в планировании движения и реагировании на вознаграждение. После введения частиц в полосатое тело исследователи смогли составить карту распределения света от оптического волокна, имплантированного поблизости.

Волокна, которые они использовали, аналогичны тем, которые используются для оптогенетической стимуляции, поэтому этот вид восприятия может быть полезен исследователям, которые проводят оптогенетические эксперименты в мозге, говорит Ясанофф.

«Мы не ожидаем, что все, кто занимается оптогенетикой, будут использовать это для каждого эксперимента — это скорее то, что вы будете делать время от времени, чтобы увидеть, действительно ли используемая вами парадигма создает профиль света, который вы думаете. должно быть», — говорит Ясанофф.

В будущем этот тип датчика также может быть полезен для наблюдения за пациентами, получающими световые процедуры, такие как фотодинамическая терапия, при которой для уничтожения раковых клеток используется свет лазера или светодиода.

В настоящее время исследователи работают над аналогичными зондами, которые можно было бы использовать для обнаружения света, излучаемого люциферазами, семейством светящихся белков, которые часто используются в биологических экспериментах. Эти белки можно использовать для определения того, активирован ли конкретный ген или нет, но в настоящее время их можно визуализировать только в поверхностных тканях или клетках, выращенных в лабораторной чашке.

Ясанофф также надеется использовать стратегию, используемую для датчика LisNR, для разработки зондов МРТ, которые могут обнаруживать стимулы, отличные от света, такие как нейрохимические вещества или другие молекулы, обнаруженные в мозге.

«Мы думаем, что принцип, который мы используем для создания этих датчиков, довольно широк и может быть использован и для других целей», — говорит он.

Источник