Δέσμες ιόντων για τη βελτίωση της μικροσκοπίας του εγκεφάλου

Η διαδικασία προετοιμασίας παχύρρευστων δειγμάτων για απεικόνιση υψηλής ανάλυσης είναι πολύ πιο γρήγορη από ό,τι με άλλες τεχνικές. Αυτή η επιτάχυνση μπορεί να επιτρέψει την ανάλυση μιας ευρύτερης σειράς δειγμάτων.

Η βελτίωση του τρόπου με τον οποίο οι επιστήμονες μπορούν να δουν τις μικροσκοπικές δομές του εγκεφάλου μπορεί να βελτιώσει την κατανόησή μας για μια σειρά από εγκεφαλικές ασθένειες, όπως το Αλτσχάιμερ ή η σκλήρυνση κατά πλάκας. Η μελέτη αυτών των ασθενειών είναι δύσκολη και έχει περιοριστεί από την ακρίβεια των διαθέσιμων μοντέλων. Για να δουν τα μικρότερα μέρη των κυττάρων, οι επιστήμονες χρησιμοποιούν συχνά μια τεχνική που ονομάζεται ηλεκτρονική μικροσκοπία. Η ηλεκτρονική μικροσκοπία ιστορικά περιλαμβάνει την προσθήκη χημικών ουσιών και τη φυσική κοπή του ιστού. Ωστόσο, αυτή η προσέγγιση μπορεί να αλλάξει τον τρόπο εμφάνισης των κυττάρων και των δομών, διαταράσσοντας τη φυσική τους κατάσταση και μπορεί να περιορίσει την ανάλυση.

Μια εναλλακτική μέθοδος, που ονομάζεται κρυοηλεκτρονική τομογραφία (cryo-ET), παρέχει σαφέστερες εικόνες των μικρότερων τμημάτων του εγκεφάλου σε μια πιο φυσική κατάσταση, ωστόσο, απαιτεί κατάψυξη. Η κατάψυξη των δειγμάτων σε κρυογονικές θερμοκρασίες πρέπει να γίνεται προσεκτικά, διαφορετικά μπορεί να σχηματιστούν κρύσταλλοι πάγου, διαταράσσοντας τη φυσική ανατομία. Όμως, νέα έρευνα του Benjamin Creekmore στα εργαστήρια των Yi-Wei Chang και Edward Lee στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια δείχνει μια νέα τεχνική για τη μελέτη της υπερδομής του ανθρώπινου εγκεφάλου. Παρουσιάζουν την έρευνά τους στην 68η Ετήσια Συνάντηση της Βιοφυσικής Εταιρείας, που πραγματοποιήθηκε στις 10–14 Φεβρουαρίου 2024 στη Φιλαδέλφεια της Πενσυλβάνια.

Ο Creekmore και οι συνεργάτες του πήραν εγκεφαλικό ιστό από αυτοψίες, τον πάγωσαν απευθείας σε ειδικά πλέγματα με υγρό αιθάνιο και χρησιμοποίησαν ένα ισχυρό εργαλείο που ονομάζεται δέσμη ιόντων εστιασμένης στο πλάσμα xenon για να κόψουν λεπτές φέτες για απεικόνιση. Αυτή η μέθοδος τους επέτρεψε να κοιτάξουν τον εγκεφαλικό ιστό στη σχεδόν φυσική του κατάσταση χωρίς να κόψουν με λεπίδα μαχαιριού, να προσθέσουν χημικές ουσίες ή πιο αργή κατάψυξη, τα οποία μπορούν να οδηγήσουν σε αλλαγές στις δομές. “Ο πιο συνηθισμένος τρόπος διατήρησης του ιστού τη στιγμή της νεκροψίας είναι να τον βάλεις σε μια κατάψυξη και μετά να τον χρησιμοποιήσεις αργότερα. Αλλά το να τον αφήσεις να παγώσει αργά και μετά να τον ζεστάνεις και μετά να τον ξαναπαγώσεις επίσης διαταράσσει τον ιστό. Οι μεμβράνες σπάνε και μπορείς χάνουν την κανονική αρχιτεκτονική”, εξήγησε ο Creekmore.

Ένα εκπληκτικό μέρος της νέας μεθόδου είναι ότι τους επιτρέπει να παγώνουν πιο εύκολα και γρήγορα πολύ παχύτερα δείγματα – στο παρελθόν τα δείγματα περιορίζονταν στα 10 μικρά χρησιμοποιώντας παρόμοιες προσεγγίσεις. «Καταφέραμε να παγώσουμε δείγματα πάχους έως και 250 μm χωρίς κρυστάλλους πάγου», είπε ο Creekmore. Η διαδικασία προετοιμασίας παχύρρευστων δειγμάτων για απεικόνιση υψηλής ανάλυσης είναι πολύ πιο γρήγορη από ό,τι με άλλες τεχνικές. Αυτή η επιτάχυνση μπορεί να επιτρέψει την ανάλυση μιας ευρύτερης σειράς δειγμάτων.

Εφαρμόζοντας αυτή την προσέγγιση στον εγκεφαλικό ιστό ατόμων με νόσο Αλτσχάιμερ, μπόρεσαν να παρατηρήσουν ανέπαφες δομές μέσα στα κύτταρα, όπως τα ινίδια ταυ, χαρακτηριστικό της νόσου του Αλτσχάιμερ, και κυτταρικά συστατικά που προσπαθούν να διασπάσουν αυτά τα ινίδια. Η ομάδα οραματίστηκε και μέτρησε επίσης τη μυελίνη, ένα περίβλημα που είναι κρίσιμο για τη λειτουργία των νεύρων, αλλά που διασπάται σε ορισμένες ασθένειες, όπως η σκλήρυνση κατά πλάκας.

“Οι τεχνικές για την απεικόνιση του ανθρώπινου ιστού ιστορικά ήταν σχετικά χαμηλής ανάλυσης και διαταράσσουν την εγγενή αρχιτεκτονική. Θέλαμε να προσπαθήσουμε να βρούμε έναν τρόπο που θα μπορούσαμε να μοντελοποιήσουμε και να μελετήσουμε τις εγκεφαλικές ασθένειες στο φυσικό τους πλαίσιο”, είπε ο Creekmore. Η καινοτόμος μέθοδός τους παρέχει μια πρώτη ματιά στη φυσική κατάσταση του ανθρώπινου εγκεφαλικού ιστού, προσφέροντας πολύτιμες γνώσεις για την ανατομία του σε υψηλό επίπεδο λεπτομέρειας. Αυτή η νέα μέθοδος μπορεί να αρχίσει να παρέχει μοναδικές πληροφορίες για τον προσδιορισμό των μηχανισμών που προκαλούν ασθένειες μιας ευρείας σειράς ασθενειών που σχετίζονται με τον εγκέφαλο.

Ο εγκέφαλος αντιμετωπίζει τη γήρανση επιστρατεύοντας άλλες περιοχές του εγκεφάλου

Τα πρότυπα συνδεσιμότητας του εγκεφάλου διαπιστώθηκε ότι διαφέρουν μεταξύ των πρόωρων και των τελειόμηνων μωρών

Το άγχος επηρεάζει τον εγκέφαλο και την ψυχή μέσω του ανοσοποιητικού

Θεραπεία της γενετικής επιληψίας αντικαθιστώντας χαμένο ένζυμο;