Streszczenie: Nowe badanie wprowadza nowatorską technikę obrazowania bioluminescencyjnego do obserwacji ruchu tlenu w mózgach myszy. Metoda ta, inspirowana białkami świetlika, ujawnia w czasie rzeczywistym powszechne wzorce dystrybucji tlenu, oferując wgląd w stany takie jak niedotlenienie spowodowane udarem lub zawałem serca.

W dalszej części badania zbadano, w jaki sposób siedzący tryb życia może zwiększyć ryzyko choroby Alzheimera poprzez wykrywanie „kieszonek niedotlenienia” lub obszarów tymczasowego niedoboru tlenu. Badania te torują drogę do lepszego zrozumienia chorób związanych z niedotlenieniem mózgu i testowania interwencji terapeutycznych.

Kluczowe fakty:

1. Nowatorska technika obrazowania bioluminescencyjnego umożliwia teraz naukowcom obserwację ruchu tlenu w mózgu, zapewniając szczegółowe obrazy w czasie rzeczywistym.
2. Metoda pokazuje, że obszary mózgu mogą doświadczyć tymczasowego niedoboru tlenu, zwanego „kieszonkami niedotlenionymi”, które występuje częściej w przypadku siedzącego trybu życia i może być powiązane ze zwiększonym ryzykiem choroby Alzheimera.
3. Badania te, będące połączeniem prac Uniwersytetu w Rochester i Uniwersytetu w Kopenhadze, mogą zrewolucjonizować nasze rozumienie chorób związanych z niedotlenieniem mózgu i utorować drogę nowym interwencjom terapeutycznym.

Źródło: Uniwersytet w Kopenhadze

Ludzki mózg zużywa ogromne ilości energii, która jest prawie wyłącznie wytwarzana w wyniku metabolizmu wymagającego tlenu. W rezultacie wydajna i terminowa alokacja i dostarczanie tlenu ma kluczowe znaczenie dla zdrowego funkcjonowania mózgu, jednak dokładna mechanika tego procesu w dużej mierze pozostaje ukryta przed naukowcami.

Nowa technika obrazowania bioluminescencyjnego opisana dzisiaj w czasopiśmie Naukastworzył bardzo szczegółowe i uderzające wizualnie obrazy ruchu tlenu w mózgach myszy.

Metoda, którą można łatwo powtórzyć w innych laboratoriach, umożliwi naukowcom dokładniejsze badanie form niedotlenienia, takich jak odmowa dostarczania tlenu do części mózgu, która ma miejsce podczas udaru lub zawału serca. Już teraz dostarcza wglądu w to, dlaczego siedzący tryb życia zwiększa ryzyko chorób takich jak choroba Alzheimera.

„To badanie pokazuje, że możemy monitorować zmiany w stężeniu tlenu w sposób ciągły i w dużym obszarze mózgu” – mówi Maiken Nedergaard, współdyrektor Centrum Neuromedycyny Translacyjnej, które ma swoją siedzibę zarówno na Uniwersytecie w Rochester, jak i na Uniwersytecie Kopenhaga.

„Dzięki temu uzyskujemy bardziej szczegółowy obraz tego, co dzieje się w mózgu w czasie rzeczywistym, co pozwala nam zidentyfikować wcześniej niewykryte obszary tymczasowego niedotlenienia, które odzwierciedlają zmiany w przepływie krwi, które mogą wywołać deficyty neurologiczne” – mówi Maiken Nedergaard.

Świetliki i nieoczekiwana nauka

Nowa metoda wykorzystuje białka luminescencyjne, chemicznych kuzynów białek bioluminescencyjnych występujących u świetlików. Białka te, wykorzystywane w badaniach nad nowotworami, wykorzystują wirusa, który dostarcza komórkom instrukcje dotyczące wytwarzania białka luminescencyjnego w postaci enzymu. Kiedy enzym napotyka swój substrat zwany furimazyną, w reakcji chemicznej wytwarza się światło.

Podobnie jak w przypadku wielu ważnych odkryć naukowych, na wykorzystanie tego procesu do obrazowania tlenu w mózgu natknęliśmy się przez przypadek. Felix Beinlich, adiunkt w Centrum Neuronauki Translacyjnej na Uniwersytecie w Kopenhadze, pierwotnie zamierzał wykorzystać białka luminescencyjne do pomiaru aktywności wapnia w mózgu. Stało się jasne, że wystąpił błąd w produkcji białka, co spowodowało wielomiesięczne opóźnienie w badaniach.

Podczas gdy Felix Beinlich czekał na nową partię od producenta, zdecydował się kontynuować eksperymenty mające na celu przetestowanie i optymalizację systemów monitorowania. Wirusa wykorzystano do dostarczenia instrukcji wytwarzania enzymów do astrocytów – wszechobecnych komórek pomocniczych w mózgu, które utrzymują zdrowie i funkcje sygnalizacyjne neuronów, a substrat wstrzyknięto bezpośrednio do mózgu.

Nagrania ujawniły aktywność, identyfikowaną na podstawie zmiennego natężenia bioluminescencji, co, jak podejrzewali naukowcy, a co później potwierdzili, odzwierciedlało obecność i stężenie tlenu. „Reakcja chemiczna w tym przypadku była zależna od tlenu, więc gdy jest enzym, substrat i tlen, układ zaczyna świecić” – mówi Felix Beinlich.

Chociaż istniejące techniki monitorowania tlenu dostarczają informacji o niewielkim obszarze mózgu, naukowcy obserwowali w czasie rzeczywistym całą korę myszy. Intensywność bioluminescencji odpowiadała stężeniu tlenu, co badacze wykazali zmieniając ilość tlenu w powietrzu, którym oddychały zwierzęta.

Zmiany natężenia światła odpowiadały również przetwarzaniu sensorycznemu. Na przykład, gdy wąsy myszy stymulowano podmuchem powietrza, badacze zaobserwowali, że odpowiadający im obszar sensoryczny w mózgu rozjaśnia się.

„Kieszenie niedotlenione” mogą wskazywać na ryzyko choroby Alzheimera

Mózg nie może długo przetrwać bez tlenu, czego dowodem są uszkodzenia neurologiczne, które szybko pojawiają się po udarze lub zawale serca. Ale co się stanie, gdy małym częściom mózgu na krótki czas odmówi się tlenu?

To pytanie nie było nawet zadawane przez badaczy, dopóki zespół w laboratorium Nedergaard nie zaczął uważnie przyglądać się nowym nagraniom. Monitorując myszy, naukowcy zaobserwowali, że określone maleńkie obszary mózgu sporadycznie ściemniały się, czasem na kilka sekund, co oznaczało odcięcie dopływu tlenu.

Tlen krąży w mózgu poprzez rozległą sieć tętnic i mniejszych naczyń włosowatych – czyli mikronaczyń – które przenikają tkankę mózgową.

Dzięki serii eksperymentów naukowcom udało się ustalić, że tlen nie był dostarczany z powodu zastoju naczyń włosowatych, do którego dochodzi, gdy białe krwinki tymczasowo blokują mikronaczynia i uniemożliwiają przepływ czerwonych krwinek przenoszących tlen.

Obszary te, które badacze nazwali „kieszonkami niedotlenienia”, występowały częściej w mózgach myszy w stanie spoczynku w porównaniu do sytuacji, gdy zwierzęta były aktywne. Uważa się, że zastoje naczyń włosowatych nasilają się wraz z wiekiem i zaobserwowano je w modelach choroby Alzheimera.

„Drzwi są otwarte do zbadania szeregu chorób związanych z niedotlenieniem mózgu, w tym choroby Alzheimera, otępienia naczyniowego i długotrwałej choroby Covid-19, a także tego, w jaki sposób siedzący tryb życia, starzenie się, nadciśnienie i inne czynniki przyczyniają się do tych chorób” – mówi Maiken Nedergaard i dodaje:

„Zapewnia także narzędzie do testowania różnych leków i rodzajów ćwiczeń, które poprawiają zdrowie naczyń i spowalniają drogę do demencji”.

Do dodatkowych autorów należą Antonios Asiminas z Uniwersytetu w Kopenhadze, Hajime Hirase z Uniwersytetu w Rochester, Verena Untiet, Zuzanna Bojarowska, Virginia Plá i Björn Sigurdsson z Uniwersytetu w Kopenhadze oraz Vincenzo Timmel, Lukas Gehrig i Michael H. Graber z na Uniwersytecie Nauk Stosowanych i Sztuki w północno-zachodniej Szwajcarii.

Finansowanie: Badanie zostało wsparte środkami finansowymi Narodowego Instytutu Zaburzeń Neurologicznych i Udaru mózgu, Fundacji Badań Medycznych Dr. Miriam i Sheldona G. Adelsonów, Fundacji Novo Nordisk, Fundacji Lundbecka, Niezależnego Funduszu Badawczego w Danii oraz Biura Badawczego Armii Stanów Zjednoczonych.

O tym newsie z badań neurologicznych

Autor: Liwa Polak
Źródło: Uniwersytet w Kopenhadze
Kontakt: Liva Polack – Uniwersytet w Kopenhadze
Obraz: Zdjęcie przypisuje się Neuroscience News

Orginalne badania: Zamknięty dostęp.
„Obrazowanie tlenowe niedotlenionych kieszeni w korze mózgowej myszy” autorstwa Maikena Nedergaarda i in. Nauka

Abstrakcyjny

Obrazowanie tlenowe niedotlenionych kieszeni w korze mózgowej myszy

Świadomość zostaje utracona w ciągu kilku sekund po ustaniu przepływu krwi w mózgu. Mózg nie jest w stanie magazynować tlenu, a przerwanie fosforylacji oksydacyjnej może zakończyć się śmiercią w ciągu kilku minut. Jednak istnieje jedynie podstawowa wiedza na temat częściowego napięcia tlenu w korze mózgowej (Po₂) dynamika w warunkach fizjologicznych.

Tutaj przedstawiamy ulepszoną zieloną nanolantern (GeNL), genetycznie zakodowany bioluminescencyjny wskaźnik tlenu dla Po₂ obrazowanie.

U nieprzytomnych myszy odkrywamy istnienie spontanicznych, przestrzennie określonych „kieszeni niedotlenienia” i wykazujemy ich powiązanie z zniesieniem lokalnego przepływu kapilarnego. Ćwiczenia zmniejszyły obciążenie niedotlenionych kieszeni o 52% w porównaniu z odpoczynkiem.

Badanie zapewnia wgląd w dynamikę tlenu w korze mózgowej u nieprzytomnych zwierząt, a jednocześnie ustanawia narzędzie do określenia znaczenia prężności tlenu w procesach fizjologicznych i chorobach neurologicznych.