Υποξία: Ο ανθρώπινος εγκέφαλος καταναλώνει τεράστιες ποσότητες ενέργειας, η οποία παράγεται σχεδόν αποκλειστικά από μια μορφή μεταβολισμού που απαιτεί οξυγόνο. Ενώ η αποτελεσματική και έγκαιρη παροχή οξυγόνου είναι γνωστό ότι είναι κρίσιμη για την υγιή λειτουργία του εγκεφάλου, η ακριβής μηχανική αυτής της διαδικασίας έχει παραμείνει σε μεγάλο βαθμό κρυφή από τους επιστήμονες. Μια νέα τεχνική απεικόνισης βιοφωταύγειας, που περιγράφεται στο περιοδικό Science, έχει δημιουργήσει εξαιρετικά λεπτομερείς και οπτικά εντυπωσιακές εικόνες της κίνησης του οξυγόνου στον εγκέφαλο ποντικών. Η μέθοδος, η οποία μπορεί εύκολα να αναπαραχθεί από άλλα εργαστήρια, θα επιτρέψει στους ερευνητές να μελετήσουν με μεγαλύτερη ακρίβεια μορφές υποξίας στον εγκέφαλο, όπως η άρνηση οξυγόνου στον εγκέφαλο που συμβαίνει κατά τη διάρκεια εγκεφαλικού ή καρδιακού επεισοδίου.
Το νέο ερευνητικό εργαλείο παρέχει ήδη μια εικόνα για το γιατί μπορεί να αυξήσει τον κίνδυνο για ασθένειες όπως το Αλτσχάιμερ. «Αυτή η έρευνα δείχνει ότι μπορούμε να παρακολουθούμε τις αλλαγές στη συγκέντρωση οξυγόνου συνεχώς και σε μια ευρεία περιοχή του εγκεφάλου», δήλωσε ο Maiken Nedergaard, συνδιευθυντής του Κέντρου Μεταφραστικής Νευροϊατρικής (CTN), το οποίο εδρεύει στο Πανεπιστήμιο του Ρότσεστερ και το Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης. «Αυτό μας παρέχει μια πιο λεπτομερή εικόνα του τι συμβαίνει στον εγκέφαλο σε πραγματικό χρόνο, επιτρέποντάς μας να εντοπίσουμε περιοχές προσωρινής υποξίας που δεν είχαν εντοπιστεί στο παρελθόν, οι οποίες αντανακλούν αλλαγές στη ροή του αίματος που μπορεί να προκαλέσουν νευρολογικά ελλείμματα». Η φωτεινή πρωτεΐνη, το υπόστρωμα και το οξυγόνο συνδυάζονται για να δημιουργήσουν χημική αλυσιδωτή αντίδραση για να παράγουν φως. Το βίντεο δείχνει τον φλοιό ενός ποντικιού που καταγράφηκε σε αρκετά λεπτά καθώς η συγκέντρωση οξυγόνου στον αναπνεόμενο αέρα κυμαινόταν μεταξύ 20, 30 και 40 τοις εκατό.
Πυγολαμπίδες και συμπτωματική επιστήμη
Η νέα μέθοδος χρησιμοποιεί φωταυγείς πρωτεΐνες, χημικές ξαδέλφες των βιοφωταυγών πρωτεϊνών που βρίσκονται στις πυγολαμπίδες. Αυτές οι πρωτεΐνες, που έχουν χρησιμοποιηθεί στην έρευνα για τον καρκίνο, χρησιμοποιούν έναν ιό που παρέχει οδηγίες στα κύτταρα να παράγουν μια φωταυγή πρωτεΐνη με τη μορφή ενζύμου. Όταν το ένζυμο συναντά μια δεύτερη χημική ένωση, ένα υπόστρωμα που ονομάζεται φουριμαζίνη, η χημική αντίδραση δημιουργεί φως. Όπως πολλές σημαντικές επιστημονικές ανακαλύψεις, η χρήση αυτής της διαδικασίας για την απεικόνιση του οξυγόνου στον εγκέφαλο σκόνταψε κατά λάθος. Ο Felix Beinlich, Ph.D., επίκουρος καθηγητής στο CTN στο Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης, είχε αρχικά την πρόθεση να χρησιμοποιήσει τη φωταύγεια πρωτεΐνη για τη μέτρηση της δραστηριότητας ασβεστίου στον εγκέφαλο. Έγινε προφανές ότι υπήρξε λάθος στην παραγωγή των πρωτεϊνών, προκαλώντας μια πολύμηνη καθυστέρηση στην έρευνα. Ενώ ο Beinlich περίμενε μια νέα παρτίδα από τον κατασκευαστή, αποφάσισε να προχωρήσει με τα πειράματα για να δοκιμάσει και να βελτιστοποιήσει τα συστήματα παρακολούθησης. Ο ιός χρησιμοποιήθηκε για την παροχή οδηγιών παραγωγής ενζύμων σε αστροκύτταρα, πανταχού παρόντα υποστηρικτικά κύτταρα στον εγκέφαλο που διατηρούν την υγεία και τις λειτουργίες σηματοδότησης των νευρώνων, και το υπόστρωμα εγχύθηκε στον εγκέφαλο μέσω κρανιοτομής.
Οι καταγραφές αποκάλυψαν δραστηριότητα, που προσδιορίστηκε από μια κυμαινόμενη ένταση βιοφωταύγειας, κάτι που οι ερευνητές υποψιάστηκαν και θα επιβεβαίωναν αργότερα, αντανακλούσε την παρουσία και τη συγκέντρωση οξυγόνου. «Η χημική αντίδραση σε αυτή την περίπτωση ήταν εξαρτημένη από το οξυγόνο, οπότε όταν το ένζυμο, το υπόστρωμα και το οξυγόνο, το σύστημα αρχίζει να λάμπει», είπε ο Beinlich. Ενώ οι υπάρχουσες τεχνικές παρακολούθησης οξυγόνου παρέχουν πληροφορίες για μια πολύ μικρή περιοχή του εγκεφάλου, οι ερευνητές μπόρεσαν να παρατηρήσουν σε πραγματικό χρόνο ένα μεγάλο τμήμα του φλοιού των ποντικών. Η ένταση της βιοφωταύγειας αντιστοιχούσε στη συγκέντρωση του οξυγόνου, την οποία οι ερευνητές απέδειξαν αλλάζοντας την ποσότητα οξυγόνου στον αέρα που αναπνέουν τα ζώα. Οι αλλαγές στην ένταση του φωτός αντιστοιχούσαν επίσης με την αισθητηριακή επεξεργασία. Για παράδειγμα, όταν τα μουστάκια των ποντικών διεγέρθηκαν με μια ρουφηξιά αέρα, οι ερευνητές μπορούσαν να δουν την αντίστοιχη περιοχή του εγκεφάλου να φωτίζεται. Οι «υποξικοί θύλακες» θα μπορούσαν να δείχνουν τον κίνδυνο Αλτσχάιμερ Ο εγκέφαλος δεν μπορεί να επιβιώσει για πολύ χωρίς οξυγόνο, μια ιδέα που αποδεικνύεται από τη νευρολογική βλάβη που γρήγορα ακολουθεί ένα εγκεφαλικό ή καρδιακό επεισόδιο. Τι συμβαίνει, όμως, όταν πολύ μικρά μέρη του εγκεφάλου στερούνται οξυγόνου για σύντομες περιόδους; Αυτή η ερώτηση δεν τέθηκε καν από τους ερευνητές μέχρι που η ομάδα στο εργαστήριο Nedergaard άρχισε να εξετάζει προσεκτικά τις νέες ηχογραφήσεις. Ενώ παρακολουθούσαν τα ποντίκια, οι ερευνητές παρατήρησαν ότι συγκεκριμένες μικροσκοπικές περιοχές του εγκεφάλου θα σκοτείνιαζαν, μερικές φορές για λεπτά, πράγμα που σημαίνει ότι η παροχή οξυγόνου διακόπηκε. Το οξυγόνο κυκλοφορεί σε όλο τον εγκέφαλο μέσω ενός τεράστιου δικτύου αρτηριών και μικρότερων τριχοειδών αγγείων –ή μικροαγγείων– που διαπερνούν τον εγκεφαλικό ιστό.
Μέσω μιας σειράς πειραμάτων, οι ερευνητές μπόρεσαν να προσδιορίσουν ότι η άρνηση του οξυγόνου οφείλεται σε τριχοειδική καθυστέρηση, η οποία συμβαίνει όταν τα λευκά αιμοσφαίρια μπλοκάρουν προσωρινά τα μικροαγγεία και εμποδίζουν τη διέλευση του οξυγόνου που μεταφέρει τα ερυθρά αιμοσφαίρια. Αυτές οι περιοχές, τις οποίες οι ερευνητές ονόμασαν «υποξικοί θύλακες», ήταν πιο διαδεδομένες στον εγκέφαλο των ποντικών κατά τη διάρκεια της κατάστασης ηρεμίας, σε σύγκριση με όταν τα ζώα ήταν ενεργά. Το στάσιμο των τριχοειδών πιστεύεται ότι αυξάνεται με την ηλικία και έχει παρατηρηθεί σε μοντέλα της νόσου του Αλτσχάιμερ. «Η πόρτα είναι τώρα ανοιχτή για τη μελέτη μιας σειράς ασθενειών που σχετίζονται με την υποξία στον εγκέφαλο, συμπεριλαμβανομένης της νόσου Αλτσχάιμερ, της αγγειακής άνοιας και της μακροχρόνιας COVID, και πώς η καθιστική ζωή, η γήρανση, η υπέρταση και άλλοι παράγοντες συμβάλλουν σε αυτές τις ασθένειες», δήλωσε ο Nedergaard. «Παρέχει επίσης ένα εργαλείο για τη δοκιμή διαφορετικών φαρμάκων και τύπων άσκησης που βελτιώνουν την αγγειακή υγεία και επιβραδύνουν τον δρόμο προς την άνοια».