Ludzki mózg zużywa ogromne ilości energii, która jest prawie wyłącznie wytwarzana w wyniku metabolizmu wymagającego tlenu. Chociaż wiadomo, że wydajne i terminowe dostarczanie tlenu ma kluczowe znaczenie dla zdrowego funkcjonowania mózgu, dokładna mechanika tego procesu w dużej mierze pozostaje ukryta przed naukowcami.
Nowa technika obrazowania bioluminescencyjnego, opisana dzisiaj w czasopiśmie Science, pozwoliła uzyskać bardzo szczegółowe i wizualnie uderzające obrazy ruchu tlenu w mózgach myszy. Metoda, którą można łatwo powtórzyć w innych laboratoriach, umożliwi badaczom dokładniejsze badanie form niedotlenienia mózgu, takich jak odmowa dopływu tlenu do mózgu podczas udaru lub zawału serca. Nowe narzędzie badawcze już dostarcza wglądu w to, dlaczego siedzący tryb życia może zwiększać ryzyko chorób takich jak choroba Alzheimera.
„To badanie pokazuje, że możemy monitorować zmiany w stężeniu tlenu w sposób ciągły i w dużym obszarze mózgu” – powiedziała Maiken Nedergaard, współdyrektor Centrum Neuromedycyny Translacyjnej (CTN), którego siedziba znajduje się zarówno na Uniwersytecie w Rochester, jak i na Uniwersytecie w Rochester. Uniwersytecie w Kopenhadze. „Dzięki temu mamy 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”.
Świetliki i nieoczekiwana nauka
Nowa metoda wykorzystuje białka luminescencyjne, chemicznych kuzynów białek bioluminescencyjnych występujących u świetlików. Białka te, które wykorzystano w badaniach nad rakiem, wykorzystują wirusa, który dostarcza komórkom instrukcje dotyczące wytwarzania białka luminescencyjnego w postaci enzymu. Kiedy enzym napotyka drugi związek chemiczny, 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. Doktor Felix Beinlich, adiunkt w CTN na Uniwersytecie w Kopenhadze, pierwotnie zamierzał wykorzystać białko luminescencyjne do pomiaru aktywności wapnia w mózgu. Stało się jasne, że wystąpił błąd w produkcji białek, co spowodowało wielomiesięczne opóźnienie w badaniach.
Podczas gdy 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 do mózgu poprzez kraniotomię. 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” – powiedział Beinlich.
Chociaż istniejące techniki monitorowania tlenu dostarczają informacji o bardzo małym obszarze mózgu, badacze byli w stanie obserwować w czasie rzeczywistym dużą część kory 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 odpowiedni obszar 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 bardzo 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 ściemniały się, czasami na kilka minut, co oznaczało odcięcie dopływu tlenu.
Tlen krąży po 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 teraz 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” – powiedział Nedergaard . „Zapewnia także narzędzie do testowania różnych leków i rodzajów ćwiczeń, które poprawiają zdrowie naczyń i spowalniają drogę do demencji”.
Dodatkowi autorzy to Hajime Hirase z Uniwersytetu w Rochester, Antonios Asiminas, Verena Untiet, Zuzanna Bojarowska, Virginia Plá i Björn Sigurdsson z Uniwersytetu w Kopenhadze oraz Vincenzo Timmel, Lukas Gehrig i Michael H. Graber z Uniwersytetu Nauk Stosowanych i sztuka północno-zachodniej Szwajcarii. 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.