مدل موش با تغییر رنگ به محققان اجازه می دهد تا بافت های عمیق را به صورت غیر تهاجمی مطالعه کنند

مهندسان زیست پزشکی و ژنتیک در دانشگاه دوک و کالج پزشکی آلبرت اینشتین فرآیندی را برای تغییر رنگ بافت موش در تصویربرداری ایجاد کرده اند تا فیزیولوژی داخلی آن را بهتر تجسم کنند.

این رویکرد به محققان کمک می‌کند منابع نویز پس‌زمینه قوی را در تصاویر زیست‌پزشکی جدا کرده و حذف کنند، و به آنها دسترسی بی‌سابقه‌ای برای مشاهده، تأثیر و تصویربرداری از فرآیندهای بیولوژیکی با یک تکنیک تصویربرداری به نام تصویربرداری فوتوآکوستیک در حال توسعه سریع می‌دهد. این تحقیق در 19 مه در مجله منتشر شد ارتباطات طبیعت.

همانطور که از نامش پیداست، تصویربرداری فوتوآکوستیک (PA) از نور و صدا برای گرفتن تصاویر دقیق از سلول‌ها، اندام‌ها و سایر بافت‌ها در سراسر بدن استفاده می‌کند. فرآیند تصویربرداری انفجاری از نور لیزر را به عمق بافت می فرستد و باعث می شود سلول ها به طور آنی گرم شده و منبسط شوند. این یک موج اولتراسونیک ایجاد می کند که اطلاعاتی در مورد ساختار و ترکیب بافت ها و سلول های مورد نظر ارائه می دهد که می تواند به تصاویر با وضوح بالا ترجمه شود.

اما در حالی که جزء اولتراسوند تصویربرداری فوتوآکوستیک به مهندسان اجازه می دهد تا عمیق تر از تصویربرداری سنتی به بافت نگاه کنند، یک مشکل نیز ایجاد می کند: نویز پس زمینه.

جونجی یائو، استادیار مهندسی بیوپزشکی در دوک، می‌گوید: «اگر بخواهیم چیزی شبیه نحوه رشد یا کوچک شدن تومور را تصویر کنیم، به سختی می‌توانیم چیز مهمی را ببینیم زیرا سیگنال‌های اولتراسوند پس‌زمینه ناشی از جریان خون همه چیز را غرق می‌کند.» “این مانند تلاش برای مشاهده ستارگان در نور روز است – نور خورشید بر همه منابع نوری دیگر غلبه می کند.”

مدل جدید موش دستکاری شده ژنتیکی که توسط یائو و ولادیسلاو ورخوشا، پروفسور ژنتیک در انیشتین ساخته شده است، روشی کارآمد برای جداسازی و حذف این صدای پس زمینه به محققان ارائه می دهد.

برای انجام این کار، ورخوشا و تیمش یک گیرنده نوری تخصصی و حساس به نور را در سلول‌های مدل موش خود به نام BphP1 معرفی کردند. به طور معمول در باکتری ها یافت می شود، BphP1 اغلب به عنوان یک ابزار تحقیقاتی مبتنی بر نور استفاده می شود، زیرا می تواند بین حالت خاموش و فعال هنگامی که با طول موج خاصی از نور برخورد می کند، جابجا شود. این پروتئین های حساس به نور برای تصویربرداری فوتو آکوستیک مفید هستند زیرا می توانند به خوبی با بیلیوردین پیوند بخورند، مولکولی که به مقدار زیاد در بافت ها ظاهر می شود اما به ندرت در سلول های خونی ظاهر می شود.

هنگامی که این پروتئین ها به صورت ژنتیکی به مدل موش خود معرفی شدند، تیم کل حیوان را با طول موج خاصی از نور قرمز روشن کرد. این انفجار نور Bph1 را فعال کرد و باعث شد رنگ ماوس تغییر کند. سپس، آنها طول موجی از نور نزدیک به مادون قرمز را به ماوس تابیدند و باعث شدند BphP1 به حالت خاموش خود بازگردد. اگرچه تغییر رنگ با چشم غیرمسلح قابل مشاهده نیست، اما با استفاده از تصویربرداری فوتوآکوستیک قابل مشاهده است.

یائو گفت: “خون این توانایی تغییر رنگ را بیان نمی کند، بنابراین وقتی حیوانات را بین دو رنگ به جلو و عقب تغییر می دهیم، می دانیم که صدای پس زمینه خون تغییر نخواهد کرد.” ناگهان نویز به یک جزء ثابت تصویر تبدیل می‌شود و ما می‌توانیم از یک روش پردازش داده ساده برای حذف آن استفاده کنیم. این فرآیند سیستم تصویربرداری ما را حساس‌تر کرد.

به عنوان اثبات مفهوم، این تیم از کبد، معده، طحال و روده تصویربرداری کردند تا نشان دهند که چگونه اندام های مختلف در مدل گیرنده نور را بیان می کنند. آنها دیدند که در حالی که همه اندام‌ها واضح‌تر از PA استاندارد به نظر می‌رسند، طحال و کبد به‌ویژه دقیق هستند، زیرا به طور طبیعی سطوح بالاتری از مولکول بیلی‌وردین برای اتصال BphP1 دارند. این جزئیات بهبود یافته تیم را قادر می سازد تا تغییرات، مانند بازسازی کبد، را به طور دقیق تر نظارت کند و کارایی روش های مختلف تحویل پروتئین را ردیابی کند.

این روش جدید همچنین به تیم اجازه داد تا بارداری را در موش‌هایشان بهتر مطالعه کنند، زیرا BphP1 می‌تواند مستقیماً به جنین متصل شود. این تیم توانست از PA برای شناسایی دقیق هفت جنین از عروق اطراف و اندام های مادر استفاده کند.

Yao و Verkusha مشتاقانه منتظر گسترش استفاده از مدل ماوس خود هستند. یکی از راه های اکتشاف شامل مطالعه پاسخ ایمنی به درمان های سرطان است. یائو فرض می کند که آنها می توانند BphP1 را به سلول های سرطانی یا سلول های ایمنی اضافه کنند و مهاجرت آنها را از طریق بدن و پاسخ آنها به درمان را مشاهده کنند.

خارج از تصویربرداری، ورخوشا و تیمش به بررسی این موضوع ادامه خواهند داد که چگونه مدل آنها می تواند به تحقیقات اپتوژنتیکی کمک کند، که شامل استفاده از نور برای کنترل فعالیت سلولی است.

یائو می‌گوید: «از نظر من این پروژه پیوند خوبی بین بیوشیمی و تصویربرداری بود. ایده تغییر رنگ ماوس به خودی خود واقعا هیجان انگیز است، اما من خوشبین هستم که بتوانیم از این ماوس برای انجام کارهای جادویی استفاده کنیم.