Актуальность проблемы
Кальций является важной сигнальной молекулой для большинства клеток, и это особенно важно в нейронах. Визуализация кальция в клетках мозга может показать, как нейроны общаются друг с другом; тем не менее, современные методы визуализации могут проникать в мозг лишь на несколько миллиметров.
Исследование, опубликованное на сайте Массачусетского технологического института (MIT), разработало новый способ визуализации активности кальция, основанный на магнитно-резонансной томографии (МРТ).
«В этой статье описывается первое обнаружение внутриклеточной кальциевой активности на основе МРТ, которая аналогична мощным оптическим методам, широко используемым в нейробиологии. Это позволяет проводить такие измерения in vivo на глубоких тканях», — говорит Алан Джасанофф (Alan Jasanoff), профессор MIT.
Результаты научного исследования
В состоянии покоя в нейронах очень низкий уровень кальция. Однако, когда они запускают электрический импульс, кальций попадает в клетку. За последние несколько десятилетий ученые разработали способы изображения этой активности, маркируя кальций флуоресцентными молекулами. Это может быть сделано в клетках, выращенных в лабораторной посуде, или в мозге животных, но этот вид микроскопической визуализации может проникать в ткани только на несколько десятых миллиметра, ограничивая большинство исследований поверхностью мозга.
«С этими инструментами совершаются удивительные вещи, но мы хотели чего-то, что позволило бы себе и другим глубже взглянуть на передачу сигналов», — говорит Джасанофф (Jasanoff).
Чтобы достичь этого, команда MIT обратилась к МРТ как к неинвазивной методике, которая работает, обнаруживая магнитные взаимодействия между введенным контрастным веществом и молекулами воды внутри клеток.
Многие ученые работают над датчиками, обнаруживающими вкрапления кальция на основе МРТ, но важным препятствием является разработка контрастного вещества, которое может проникнуть внутрь клеток мозга. В прошлом году лаборатория Джасаноффа разработала датчик МРТ, который может измерять внеклеточные концентрации кальция, но они основаны на наночастицах, которые слишком велики для проникновения в клетки мозга.
Для создания своих новых внутриклеточных сенсоров кальция исследователи использовали блоки, которые могут проходить через клеточную мембрану. Контрастный агент содержит марганец, металл, который слабо взаимодействует с магнитными полями, связанный с органическим соединением, которое может проникать через клеточные мембраны. Этот комплекс также содержит кальций-связывающую руку, называемую хелатор.
Попав внутрь клетки, если уровень кальция низкий, хелатор кальция слабо связывается с атомом марганца, защищая марганец от МРТ-обнаружения. Когда кальций поступает в клетку, хелатор связывается с кальцием и высвобождает марганец, что делает контрастное вещество более ярким на МРТ-изображении.
Исследователи проверили свой датчик на крысах, введя его в стриатум, область глубоко внутри мозга, которая участвует в планировании движения и изучении нового поведения. Затем они использовали ионы калия для стимуляции электрической активности в нейронах полосатого тела и смогли измерить ответ кальция в этих клетках.
Выводы
Джасанофф надеется использовать эту технику для выявления небольших скоплений нейронов, которые участвуют в определенных видах поведения или действиях. Поскольку этот метод напрямую измеряет передачу сигналов внутри клеток, он может предоставить гораздо более точную информацию о местоположении и времени активности нейронов, чем традиционная функциональная МРТ, которая измеряет кровоток в мозге.
«Это может быть полезно для выяснения того, как различные структуры мозга работают вместе, чтобы обрабатывать сигналы или координировать поведение», — говорит Джасанофф.
Кроме того, этот метод может быть использован для обнаружения кальция, поскольку он выполняет множество других функций, таких как содействие активации иммунных клеток. С дальнейшей модификацией его также можно использовать для диагностической визуализации мозга или других органов, функции которых зависят от кальция, таких как сердце.
Авторы другого исследования разработали новый графеновый датчик, чтобы изучить структуру и функции головного мозга.
Ведущий специалист отдела организации клинических исследований, терапевт, врач ультразвуковой диагностики АО «СЗМЦ» (г. Санкт-Петербург), главный редактор, учредитель сетевого издания Medical Insider, а также автор статей
E-mail для связи – [email protected];
