Amikor az orvosok és kutatók a test belsejébe szeretnének betekinteni, a mágneses rezonanciás képalkotás (MRI) az egyik leghatékonyabb eszköz a rendelkezésükre. Az MRI non-invazív módon képes részletes képeket készíteni az izmokról, a szervekről és a csontokról, sőt, akár az agyi aktivitás térképét is felrajzolhatja a véráramlás nyomon követésével. A Massachusettsi Műszaki Egyetem (MIT) bio-mérnökei által kifejlesztett új érzékelőknek köszönhetően az MRI mostantól olyan molekulákat is képes nyomon követni, amelyek agyunk és testünk működését biztosítják.
A Nature Biomedical Engineering folyóirat májusi számában Alan Jasanoff, az MIT Eugene McDermott professzora és csapata mutatta be új szenzoraikat, amelyek képesek elhalványítani vagy felerősíteni az MRI jelet bizonyos molekuláris célpontok jelenlétében. A kutatók által kifejlesztett próbák úgy lettek megtervezve, hogy felerősítsék az egyes célmolekulák hatását az MRI jelre, ami drámaian megnöveli az érzékenységet a korábbi, kis molekulákra épülő érzékelőkhöz képest. Jasanoff, aki egyben a McGovern Agykutató Intézet munkatársa is, elmondta, hogy a csapat által alkalmazott módszer lehetővé teszi olyan MRI-érzékelők kifejlesztését, amelyek képesek detektálni a neurotranszmittereket és más fontos molekulákat az agyban.
„Szeretnénk képesek lenni mérni a különböző kémiai jeleket, mint a neurotranszmitterek, neuropeptidek és metabolitok, ahogy azok az egész agyban változnak” – mondta Jasanoff. „Ezek a vegyi anyagok fontos összetevői a neurális számításoknak, és az általunk kifejlesztett próbákat szeretnénk használni e jelek dinamikus érzékelésére.”
Az érzékenység forradalmasítása nanorészecskékkel
Jasanoff elmagyarázta, hogy a kutatók eddig azért küzdöttek az MRI segítségével az agyban lévő kis molekulák érzékeny kimutatásával, mert bármely adott neurokémiai anyag mennyisége rendkívül alacsony. Bár lehet olyan érzékelőket tervezni, amelyek megváltoztatják az MRI jel fényességét bizonyos molekulák jelenlétében, ehhez nagy mennyiségű kontrasztanyagra van szükség. Ha minden egyes kontrasztanyag-molekulának saját célmolekulára van szüksége az aktiválódáshoz, a célmolekula alacsony koncentrációja korlátozza az érzékelők láthatóságát az MRI-vizsgálat során. „A képalkotás során látott jelváltozás nagyon szerény lesz” – tette hozzá Jasanoff. „Ez nem teszi lehetővé számunkra a fiziológiai események észlelését.”
A Jasanoff-csapat új érzékelői, amelyek fejlesztését Sayani Das posztdoktori kutató és Jacob Cyert Simon doktorandusz vezette, áthidalják ezt a problémát. A nagyobb jelváltozás elérése érdekében a kutatók olyan próbákat terveztek, ahol egyetlen célmolekula nem egy, hanem sok kontrasztanyag-molekulára hat. Ennek megvalósításához Das és Simon MRI kontrasztanyagot csomagoltak apró, liposzómális nanorészecskéknek nevezett zsákocskákba. Minden egyes nanorészecske tele van gadolínium molekulákkal, egy mágneses anyaggal, amely felerősíti a víz hidrogénatomjaiból származó MRI jelet.
A védőzsákjaik belsejében a gadolíniumnak nincs hatása az MRI jelre, hacsak a vízmolekulák könnyen ki és be nem jutnak. Das és Simon vízcsatornákat építettek a gadolíniummal töltött nanorészecskék falába, amelyeket úgy terveztek meg, hogy nyitásuk a célmolekula jelenlététől vagy hiányától függjön. Amikor a csatornák kinyílnak, több víz jut be, és a gadolínium felerősíti a helyi MRI jelet, így az adott pont kivilágosodik a felvételen.
Az agyi képalkotás új korszaka
A kutatók a célmolekulára reagáló érzékelőiket liposzómális nanorészecske riportereknek, röviden LisNR-eknek nevezték el. Olyan LisNR-eket terveztek, amelyek csak a célmolekula jelenlétében engedik be a vizet. Ezekben a nanorészecskékben a vízcsatornák addig maradnak blokkolva, amíg nem találkoznak a célmolekulával, amely képes félrelökni a csatornát elzáró fehérjedarabot. Miután a csatornagátló elmozdul, a víz beáramlik, és az MRI jel felerősödik. Emellett olyan LisNR-eket is készítettek, amelyek a kimutatni kívánt molekula jelenlétében elhalványítják az MRI jelet. Ezekben a csatorna nyitva marad, amíg a célmolekula meg nem érkezik és el nem zárja azt, így a víz kívül reked.
A Jasanoff labor tagjai, Vinay Sharma, Samira Abozeid és Gregory Thiabaud kulcsszerepet játszottak ezen kölcsönhatások megértésében és optimalizálásában, míg a Tokiói Egyetem Masayuki Inoue laboratóriumának munkatársai segítettek a nagyobb hatékonyságú csatornák tervezésében. Miranda Dawson posztdoktori kutató vezetésével a csapat élő patkányok agyában és testében mutatta ki a biotin nevű molekulát a LisNR-ek segítségével, bizonyítva a próba erősítő hatását. „Megmutattuk, hogy mikromoláris szintű biotint tudtunk kimutatni körülbelül tízszer nagyobb érzékenységgel, mintha hagyományos, egy-az-egyhez típusú érzékelési megközelítést használtunk volna” – mondta Jasanoff.
A csoport azt is kimutatta, hogy az új érzékelők szisztémásan is beadhatók, elérve a különböző szerveket és szétterjedve az egész agyban. Ez ígéretes eszközzé teszi őket az egész agyra kiterjedő képalkotáshoz, valamint a perifériás idegrendszer vagy más szövetek célpontjainak vizsgálatához. A következő lépés olyan LisNR-ek tervezése lesz, amelyek reagálnak azokra a specifikus neurokémiai anyagokra, amelyeket Jasanoff és csapata tanulmányozni szeretne. „Körülbelül 100 neurokémiai anyag van az agyban, amelyeket elvileg szeretnénk kimutatni” – mondta. A dopaminnal és a glutamáttal kezdik, két fontos és viszonylag bőséges molekulával, amelyek közvetítik a neuronok közötti kommunikációt.
© Image courtesy of the researchers.
Forrás: MIT.edu ↗̱
