Mózg musi uważnie zarządzać podażą i popytem na tlen, aby stale utrzymywać dotlenienie tkanek. Jednakże nasza wiedza na temat zmian poziomu tlenu w tkance mózgowej w normalnych warunkach musi zostać uzupełniona.

Naukowcy z Centrum Medycznego Uniwersytetu w Rochester opracowali nową technikę obrazowania bioluminescencyjnego, która umożliwia tworzenie bardzo szczegółowych i efektownych wizualnie obrazów ruchu tlenu w mózgach myszy. Metoda ta może pomóc naukowcom w dokładnym badaniu form niedotlenienia mózgu, takich jak odmowa dopływu tlenu do mózgu podczas udaru lub zawału serca.

Ta nowa technika obrazowania pokazuje, że możliwe jest ciągłe monitorowanie zmian stężenia tlenu w dużym obszarze mózgu. Oferuje bardziej szczegółowy obraz tego, co dzieje się w mózgu w czasie rzeczywistym, umożliwiając naukowcom identyfikację wcześniej niewykrytych obszarów tymczasowego niedotlenienia, które odzwierciedlają zmiany w przepływie krwi, które mogą wywołać deficyty neurologiczne.

Nowatorskie podejście wykorzystuje świetliste białka wstrzykiwane do komórek przez wirusa, który dostarcza komórkom instrukcje mające na celu wytworzenie luminescencyjnego białka w postaci enzymu, przypominającego białka obserwowane u świetlików. Białka te, często wykorzystywane w badaniach nad nowotworami, reagują na chemiczną furimazynę, tworząc światło.

Technika obrazowania poziomu tlenu w mózgu została odkryta przez przypadek. Białka miały pierwotnie zostać wykorzystane przez naukowców do pomiaru aktywności wapnia w mózgu. Jednak badania zostały opóźnione z powodu wady produkcyjnej. Postanowili w tym czasie przetestować system.

W eksperymencie naukowcy wykorzystali wirusa do dostarczenia instrukcji produkujących enzymy do astrocytów – wszechobecnych komórek pomocniczych w mózgu, które utrzymują zdrowie i funkcje sygnalizacyjne neuronów. Substrat wstrzyknięto do mózgu poprzez kraniotomię. Ostatecznie naukowcy ustalili, że zmieniające się natężenie światła w nagraniach wskazuje na obecność i stężenie tlenu.

Doktor Felix Beinlich, adiunkt w CTN na Uniwersytecie w Kopenhadze, powiedział: „W tym przypadku reakcja chemiczna była zależna od tlenu, więc gdy jest enzym, substrat i tlen, układ zaczyna świecić”.

Dzięki tej technice naukowcy mogli obserwować dużą część kory myszy w czasie rzeczywistym. Intensywność bioluminescencji jest proporcjonalna do stężenia tlenu, co wykazano zmieniając ilość tlenu w powietrzu, którym oddychały zwierzęta.

Zmiany natężenia światła są skorelowane z przetwarzaniem sensorycznym. Na przykład, gdy wąsy myszy stymulowano podmuchem powietrza, badacze zaobserwowali, że odpowiedni obszar mózgu rozjaśnia się.

Monitorując myszy, naukowcy zaobserwowali, że określone maleńkie obszary mózgu ściemniały się, czasami na kilka minut, co oznaczało odcięcie dopływu tlenu.

Po przeprowadzeniu kilku testów naukowcy doszli do wniosku, że zastój naczyń włosowatych – stan, w którym białe krwinki chwilowo blokują mikronaczynia i utrudniają przepływ czerwonych krwinek przenoszących tlen – jest przyczyną niedoboru tlenu. Obszary te, które naukowcy nazwali „kieszonkami niedotlenienia”, występowały częściej w mózgach myszy w stanie spoczynku niż podczas ruchu. W modelach choroby Alzheimera obserwowano zatrzymanie naczyń włosowatych i uważa się, że nasila się ono wraz z wiekiem.

Nedergaard powiedział: „Drzwi są teraz otwarte do zbadania szeregu chorób związanych z niedotlenieniem mózgu, w tym choroby Alzheimera, otępienia naczyniowego i długiego przebiegu Covid-19, a także tego, w jaki sposób siedzący tryb życia, starzenie się, nadciśnienie i inne czynniki przyczyniają się do tych chorób. Zapewnia także narzędzie do testowania różnych leków i rodzajów ćwiczeń, które poprawiają zdrowie naczyń i spowalniają drogę do demencji”.

Numer czasopisma:

1. Felix M. Beinlich, Antonios Asiminas i in. Obrazowanie tlenowe niedotlenionych kieszeni w korze mózgowej myszy. Nauka. DOI: 10.1126/science.adn1011