Genom att använda cryo-MOST, forskarna skaffade en hjärnomfattande karta över en Alzheimer-musmodell som visar att senila plack hade spridit sig till hela hjärnan. Bilderna är med 1-millimeters intervall från luktkolan till lillhjärnan. De specifika platserna visas i det övre högra inlägget. Kredit:Jing Yuan, Huazhong University of Science and Technology
Uppskattningsvis 5,5 miljoner amerikaner lever med Alzheimers sjukdom, en typ av demens som orsakar problem med minnet, tänkande och beteende. Även om behandlingar kan bromsa försämringen av symtomen, forskare arbetar fortfarande för att bättre förstå den neurodegenerativa sjukdomen så att botande och förebyggande läkemedel kan utvecklas. Ett nytt bildsystem kan hjälpa till att påskynda utvecklingen av nya läkemedel genom att erbjuda ett bättre sätt att övervaka hjärnförändringar som tyder på Alzheimers i musmodeller av sjukdomen.
Möss genetiskt modifierade för att uppvisa egenskaper hos Alzheimers sjukdom är ett värdefullt verktyg för att studera sjukdomens biologi och testa nya läkemedel. Som människor med sjukdomen, hjärnan hos dessa möss samlar klumpar av proteiner som kallas senila plack. Qingming Luo's Visible Brain-wide Networks-team vid Huazhong University of Science and Technology, Kina utvecklade ett system som kallas kryo-mikrooptisk snitttomografi (cryo-MOST) som förbättrar förmågan att avbilda dessa senila plack i hela mushjärnan.
"Att studera den hjärnomfattande distributionen av senila plack hos möss kommer att underlätta förståelsen av hur hjärnans funktioner försämras under Alzheimers sjukdomsprogression, sa Jing Yuan, en nyckelmedlem i forskargruppen. "Vi hoppas att cryo-MOST kommer att påskynda utvecklingen och utvärderingen av behandlingar för Alzheimers sjukdom."
I tidskriften The Optical Society (OSA). Optik bokstäver , forskarna beskriver sitt cryo-MOST-system och rapporterar resultat från att använda det för att skapa 3D, mikronupplösningskartor över senila plack i hela hjärnan på en musmodell av Alzheimers sjukdom. Det nya systemet är enkelt och effektivt jämfört med konventionella metoder, kräver inga yttre färgämnen eller etiketter, och eftersom det är optiskt, ger mer detaljerad information än andra bildtekniker som magnetisk resonanstomografi (MRI) eller Positron Emission Tomography (PET).
Kylning av vävnad för att förbättra avbildningen
Etiketter behövs inte med cryo-MOST eftersom det drar fördel av den naturliga fluorescensen av senila plack efter exponering för excitationsljus, en egenskap som kallas autofluorescens. Forskarna upptäckte att sänkning av vävnadstemperaturen till mindre än -100 grader Celsius ljusnade upp autofluorescensen från senila plack och förbättrade de resulterande bilderna.
"Exogena färgämnen kan leda till ospecifika, falskt positiv eller ojämn märkning i hjärnvävnad, som hindrar observation av autentiska patologiska strukturförändringar av Alzheimers sjukdom, ", sa Yuan. "Vår etikettfria metod undviker dessa problem samtidigt som vi förenklar provberedningen, på så sätt påskynda forskningsprocessen."
Cryo-MOST-avbildningssystemet möjliggör kartläggning av hela hjärnan av senila plack i mushjärnan. Systemet kyler provet genom att hålla det nedsänkt i flytande kväve för att förbättra fluorescensen från senila plack. För avbildning av hela hjärnan, XYZ-stadierna flyttar provet för att automatiskt växla mellan avbildning och fräsmaskinen som tar bort ett lager av vävnaden varje gång ytan avbildas. Kredit:Jing Yuan, Huazhong University of Science and Technology
För att upprätthålla de ultralåga temperaturer som krävs för att förbättra fluorescensen, forskarna skapade ett system som möjliggjorde avbildning av ett prov nedsänkt i flytande kväve. Eftersom traditionell optisk mikroskopi bara kan avbilda vävnadens yta, de inkorporerade en mekanisk fräsmaskin som tog bort ett lager av vävnaden varje gång ytan avbildades. När du tar bilder av hela musens hjärna, systemet växlar automatiskt mellan fräsning och avbildning genom att använda ett mekaniskt steg för att flytta provet.
Kartläggning av senila plack
För att demonstrera förmågan hos cryo-MOST att avbilda den hjärnomfattande distributionen av senila plack, forskarna använde den för att avbilda en hel hjärna från en 17-månaders APP/PS1-musmodell av Alzheimers sjukdom.
"Bilderna från en åldrad mus med Alzheimers sjukdom avslöjade att senila plack har spridit sig till hela hjärnan, ", sa Yuan. "Detta indikerar att sjukdomen inte bara skadar minne och intelligens, men kan också orsaka en total försämring av andra hjärnfunktioner."
Systemet som används i papperet har en lateral upplösning på 1,072 mikron och en axiell upplösning på 17,152 mikron vid detektering av fluorescens vid en våglängd på 536 nm. Forskarna säger att dessa parametrar skulle kunna förbättras ytterligare genom att använda ett bättre mikroskop.
Eftersom storleken på den avbildade vävnaden endast begränsas av det maximala rörliga området för det mekaniska steget, systemet skulle kunna användas för att studera mänsklig hjärnvävnad från avlidna donatorer. Det kan också vara användbart för att visualisera andra biologiska molekyler som uppvisar autofluorescens i andra organ. Till exempel, det kan avbilda metabolismfördelning i organ som njure och lever.
Forskargruppen arbetar för närvarande med att förbättra automatiseringen av metoden för att påskynda bildinsamlingen och införlivar förbättringar som kommer att förbättra bildkvaliteten. Dessa uppgraderingar gör att deras tillvägagångssätt kan användas för fler applikationer. De fortsätter också att använda cryo-MOST för att studera senil plackfördelning och morfologiförändringar som följer med utvecklingen av Alzheimers sjukdom.
"Förutom att utvärdera läkemedelseffektivitet för neurodegenerativa sjukdomar, vi tror att vår metod kommer att hjälpa neuroforskare att förstå sambandet mellan senil plackdistribution och andra nyckelfaktorer för Alzheimers sjukdom, ", sa Yuan. "Detta kommer att förbättra den omfattande förståelsen av sjukdomens mekanismer och behandling."
