Ny billedbehandlingstilgang kortlægger ændringer i hele hjernen fra Alzheimers sygdom hos mus

Det anslås, at 5,5 millioner amerikanere lever med Alzheimers sygdom, en type demens, der forårsager problemer med hukommelsen, tænkning og adfærd. Selvom behandlinger kan bremse forværringen af ​​symptomer, forskere arbejder stadig på at forstå den neurodegenerative sygdom bedre, så helbredende og forebyggende medicin kan udvikles. Et nyt billeddannelsessystem kan hjælpe med at fremskynde udviklingen af ​​nye lægemidler ved at tilbyde en bedre måde at overvåge de hjerneændringer, der er tegn på Alzheimers, i musemodeller af sygdommen.

Mus, der er genetisk modificeret til at udvise karakteristika for Alzheimers sygdom, er et værdifuldt værktøj til at studere sygdommens biologi og teste nye lægemidler. Ligesom mennesker med sygdommen, disse muses hjerner akkumulerer klumper af proteiner kendt som senile plaques. Qingming Luos Visible Brain-wide Networks-team på Huazhong University of Science and Technology, Kina udviklede et system kaldet cryo-micro-optical sectioning tomography (cryo-MOST), der forbedrer evnen til at afbilde disse senile plaques i hele musens hjerne.

"At studere den hjerneomfattende fordeling af senile plaques i mus vil lette en forståelse af, hvordan hjernens funktioner forringes under Alzheimers sygdomsprogression, " sagde Jing Yuan, et centralt medlem af forskergruppen. "Vi håber, at cryo-MOST vil fremskynde udviklingen og evalueringen af ​​behandlinger for Alzheimers sygdom."

I tidsskriftet The Optical Society (OSA). Optik bogstaver , forskerne beskriver deres cryo-MOST-system og rapporterer resultater fra brugen af ​​det til at skabe 3D, mikron-opløsningskort over senile plaques i hele hjernen af ​​en musemodel af Alzheimers sygdom. Det nye system er enkelt og effektivt sammenlignet med konventionelle metoder, kræver ingen eksterne farvestoffer eller etiketter, og fordi det er optisk, tilbyder mere detaljerede oplysninger end andre billeddannelsesteknikker såsom magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) eller Positron Emission Tomography (PET).

Nedkøling af væv for at forbedre billeddannelsen

Etiketter er ikke nødvendige med cryo-MOST, fordi det udnytter den naturlige fluorescens af senile plaques efter eksponering for excitationslys, en egenskab kendt som autofluorescens. Forskerne opdagede, at sænkning af vævstemperaturen til mindre end -100 grader Celsius lysnede autofluorescensen fra senile plaques og forbedrede de resulterende billeder.

"Eksogene farvestoffer kan føre til uspecifikke, falsk positiv eller ujævn mærkning i hjernevæv, som hindrer observation af autentiske patologiske strukturændringer af Alzheimers sygdom, " sagde Yuan. "Vores etiketfri tilgang undgår disse problemer, samtidig med at det forenkler prøveforberedelsen, og dermed fremskynde forskningsprocessen."

For at opretholde de ultralave temperaturer, der kræves for at forbedre fluorescensen, forskerne skabte et system, der tillod billeddannelse af en prøve nedsænket i flydende nitrogen. Fordi traditionel optisk mikroskopi kun kan afbilde overfladen af ​​vævet, de inkorporerede en mekanisk fræsemaskine, der fjernede et lag af vævet, hver gang overfladen blev afbildet. Når man tager billeder af hele musens hjerne, systemet skifter automatisk mellem fræsning og billedbehandling ved at bruge et mekanisk trin til at flytte prøven.

Kortlægning af de senile plaques

For at demonstrere evnen hos cryo-MOST til at afbilde den hjernebrede fordeling af senile plaques, forskerne brugte det til at afbilde en hel hjerne fra en 17-måneders APP/PS1-musemodel af Alzheimers sygdom.

"Billederne fra en gammel mus med Alzheimers sygdom afslørede, at senile plaques har spredt sig til hele hjernen, " sagde Yuan. "Dette indikerer, at sygdommen ikke kun skader hukommelsen og intelligensen, men kan også forårsage en generel forringelse af andre hjernefunktioner."

Systemet anvendt i papiret har en lateral opløsning på 1.072 mikron og en aksial opløsning på 17.152 mikron ved detektering af fluorescens ved en bølgelængde på 536 nm. Forskerne siger, at disse parametre kunne forbedres yderligere ved at bruge et bedre mikroskop.

Fordi størrelsen af ​​det afbildede væv kun er begrænset af det maksimale bevægelige område af det mekaniske trin, systemet kunne bruges til at studere menneskeligt hjernevæv fra afdøde donorer. Det kan også være nyttigt til at visualisere andre biologiske molekyler, der udviser autofluorescens i andre organer. For eksempel, det kunne afbilde metabolismefordeling i organer som nyre og lever.

Forskerholdet arbejder i øjeblikket på at forbedre automatiseringen af ​​tilgangen til at fremskynde billedopsamling og inkorporerer forbedringer, der vil forbedre billedkvaliteten. Disse opgraderinger vil gøre det muligt at bruge deres tilgang til flere applikationer. De fortsætter også med at bruge cryo-MOST til at studere senil plakfordeling og morfologiændringer, der følger med udviklingen af ​​Alzheimers sygdom.

"Ud over at evaluere lægemiddeleffektiviteten til neurodegenerative sygdomme, vi tror på, at vores metode vil hjælpe neuroforskere med at forstå forholdet mellem senil plakfordeling og andre nøglefaktorer ved Alzheimers sygdom, " sagde Yuan. "Dette vil forbedre den omfattende forståelse af sygdommens mekanismer og behandling."