Forskare från Brigham and Women's Hospital och Massachusetts Institute of Technology (MIT) har avslöjat oöverträffade detaljerade bilder av hjärncancervävnad genom användning av en ny mikroskopiteknik som kallas decrowding expansion pathology (dExPath). Deras resultat, publicerade i Science Translational Medicin , ge nya insikter om utveckling av hjärncancer, med potentiella implikationer för att utveckla diagnosen och behandlingen av aggressiva neurologiska sjukdomar.
"Tidigare har vi förlitat oss på dyra mikroskop med superupplösning som endast mycket välfinansierade laboratorier hade råd med, krävde specialiserad utbildning för att använda och är ofta opraktiska för högkapacitetsanalyser av hjärnvävnader på molekylär nivå", säger Pablo Valdes, MD, Ph.D., en neurokirurgisk alumn vid Brigham och huvudförfattare till studien. "Denna teknik ger pålitlig, superupplöst bildbehandling till kliniken, vilket gör det möjligt för forskare att studera neurologiska sjukdomar på en aldrig tidigare uppnådd nanoskalanivå på konventionella kliniska prover med konventionella mikroskop."
Forskare förlitade sig tidigare på dyra, superhögupplösta mikroskop för att avbilda strukturer i nanoskala i celler och hjärnvävnad, och även med den mest avancerade tekniken kämpade de ofta för att effektivt fånga dessa strukturer på nanoskalanivå.
Ed Boyden, Ph.D., Y. Eva Tan professor i neuroteknologi vid MIT och medförfattare till denna studie, började ta itu med detta problem genom att märka vävnader och sedan kemiskt modifiera dem för att möjliggöra enhetlig fysisk expansion av vävnader. Denna expansionsteknik var dock långt ifrån perfekt. Genom att förlita sig på enzymer som kallas proteaser för att bryta upp vävnad, fann forskare att denna kemiska behandling med enzymer förstörde proteiner innan de kunde analysera dem, vilket bara lämnade efter sig ett skelett av den ursprungliga strukturen och bara behöll etiketterna.
Boyden och E. Antonio Chiocca, MD, Ph.D., neurokirurgiordförande vid Brigham and Women's Hospital och co-senior författare i denna studie, mentorade Valdes under hans utbildning som neurokirurg-forskare för att utveckla nya kemier med dExPath. för att ta itu med begränsningarna hos den ursprungliga expansionstekniken.
Deras nya teknologi modifierar vävnader kemiskt genom att bädda in dem i en gel och "mjuka upp" vävnaderna med en speciell kemisk behandling som separerar proteinstrukturer utan att förstöra dem och som gör att vävnader kan expandera. Detta gav spännande rön för forskarna från MIT och Brigham, som rutinmässigt använder kommersiellt tillgängliga antikroppar för att binda till och belysa biomarkörer i ett prov.
Antikroppar är dock stora och kan många gånger inte enkelt penetrera cellstrukturer för att nå sitt mål. Nu, genom att dra isär proteiner med dExPath, kan samma antikroppar som används för färgning penetrera utrymmen för att binda proteiner i vävnad som inte kunde nås före expansion, vilket framhäver nanometerstora strukturer eller till och med cellpopulationer som tidigare var gömda.
"Den mänskliga hjärnan har flera stoppvakter på plats för att skydda sig mot patogener och miljögifter. Men dessa element gör det utmanande att studera hjärnaktivitet. Det kan vara lite som att köra en bil genom lera och diken. Vi kan inte komma åt vissa cellstrukturer i hjärnan på grund av barriärer som står i vägen", säger E. Antonio Chiocca, MD, Ph.D., ordförande för avdelningen för neurokirurgi vid Brigham. "Det är bara en av anledningarna till att den här nya tekniken kan förändras så att praktiken förändras. Om vi kan ta mer detaljerade och exakta bilder av hjärnvävnad kan vi identifiera fler biomarkörer och vara bättre rustade att diagnostisera och behandla aggressiva hjärnsjukdomar."
För att validera effektiviteten av dExPath tillämpade Boyden och Chioccas team tekniken på frisk mänsklig hjärnvävnad, hög- och låggradig hjärncancervävnad och hjärnvävnad som påverkats av neurodegenerativa sjukdomar inklusive Alzheimers och Parkinsons sjukdomar. Utredarna färgade vävnad för hjärn- och sjukdomsspecifika biomarkörer och tog bilder före och efter expanderande prover med dExPath.
Resultaten avslöjade enhetlig och konsekvent expansion av vävnaden utan distorsion, vilket möjliggjorde noggrann analys av proteinstrukturer. Dessutom eliminerade dExPath effektivt fluorescerande signaler i hjärnvävnad som kallas lipofuscin, vilket gör avbildning av subcellulära strukturer i hjärnvävnad mycket svår, vilket ytterligare förbättrar bildkvaliteten. Vidare gav dExPath starkare fluorescerande signaler för förbättrad märkning såväl som samtidig märkning av upp till 16 biomarkörer i samma vävnadsprov. Noterbart visade dExPath-avbildning att tumörer som tidigare klassificerats som "låggradiga" innehöll mer aggressiva egenskaper och cellpopulationer, vilket tyder på att tumören kan bli mycket farligare än väntat.
Även om det är lovande kräver dExPath validering på större provstorlekar innan det kan bidra till diagnosen av neurologiska tillstånd som hjärncancer. Valdes understryker att även om han fortfarande är i ett tidigt skede strävar hans team efter att denna teknik så småningom ska fungera som ett diagnostiskt verktyg, vilket i slutändan förbättrar patienternas resultat.
"Vi hoppas att vi med den här tekniken bättre kan förstå på nanoskalanivåer hjärntumörernas komplicerade funktion och deras interaktioner med nervsystemet utan att vara beroende av orimligt dyr labbutrustning", säger Valdes som nu är biträdande professor i neurokirurgi och Jennie. Sealy Distinguished Chair in Neuroscience vid University of Texas Medical Branch.
"Tillgängligheten av dExPath kommer att möjliggöra superupplösningsavbildning för att förstå biologisk bearbetning på nanometernivå i mänsklig vävnad inom neuro-onkologi och i neurologiska sjukdomar som Alzheimers och Parkinsons, och en dag kan det till och med förbättra diagnostiska strategier och patientresultat. "
Författare är Pablo Valdes (BWH och MIT), Chih-Chieh (Jay) Yu, Jenna Aronson, Debarati Ghosh, Yongxin Zhao, Bobae An (MIT), Joshua D. Bernstock (BWH och MIT), Deepak Bhere (BWH), Michelle M. Felicella, Mariano S. Viapiano, Khalid Shah (BWH) och medkorresponerande seniorförfattare E. Antonio Chiocca och Edward S. Boyden.
Mer information: Pablo Valdes et al, Förbättrad immunfärgning av nanostrukturer och celler i mänskliga hjärnexemplar genom expansionsmedierad proteindecrowding, Science Translational Medicine (2024). DOI:10.1126/scitranslmed.abo0049
Journalinformation: Science Translational Medicine
Tillhandahålls av Brigham and Women's Hospital
