Специализированный датчик МРТ может обнаруживать свет глубоко в тканях

Используя специализированный датчик МРТ, исследователи Массачусетского технологического института показали, что они могут обнаруживать свет глубоко в тканях, таких как мозг.

Визуализация света в глубоких тканях очень сложна, потому что, когда свет проходит в ткани, большая его часть поглощается или рассеивается. Команда Массачусетского технологического института преодолела это препятствие, разработав датчик, который преобразует свет в магнитный сигнал, который можно обнаружить с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ).

Этот тип датчика можно использовать для картирования света, излучаемого оптическими волокнами, имплантированными в мозг, такими как волокна, используемые для стимуляции нейронов во время экспериментов по оптогенетике. Исследователи говорят, что при дальнейшем развитии он также может быть полезен для наблюдения за пациентами, получающими световую терапию рака.

Мы можем визуализировать распределение света в тканях, и это важно, потому что люди, которые используют свет для стимуляции ткани или для измерения ткани, часто не знают точно, куда падает свет, где они стимулируются или куда попадает свет. исходит из. Наш инструмент можно использовать для устранения этих неизвестных».

Алан Джасанофф, профессор биологической инженерии, мозга и когнитивных наук, а также ядерных наук и инженерии в Массачусетском технологическом институте.

Ясанофф, также научный сотрудник Института исследований мозга Макговерна при Массачусетском технологическом институте, является ведущим автором исследования, опубликованного сегодня в Природа биомедицинской инженерии. Джейкоб Саймон, доктор философии, 21 год, и постдоктор Массачусетского технологического института Мириам Швальм являются ведущими авторами статьи, а Йоханнес Морштейн и Дирк Траунер из Нью-Йоркского университета также являются авторами статьи.

светочувствительный зонд

Ученые использовали свет для изучения живых клеток на протяжении сотен лет, начиная с конца 1500-х годов, когда был изобретен световой микроскоп. Этот тип микроскопии позволяет исследователям заглянуть внутрь клеток и тонких срезов ткани, но не глубоко внутрь организма.

«Одна из постоянных проблем с использованием света, особенно в науках о жизни, заключается в том, что он не очень хорошо проникает во многие материалы», — говорит Ясанофф. «Биологические материалы поглощают свет и рассеивают свет, и сочетание этих вещей не позволяет нам использовать большинство типов оптических изображений для всего, что связано с фокусировкой на глубоких тканях».

Чтобы обойти это ограничение, Ясанофф и его ученики решили разработать датчик, который мог бы преобразовывать свет в магнитный сигнал.

«Мы хотели создать магнитный датчик, который локально реагирует на свет и, таким образом, не подвержен поглощению или рассеянию. Затем этот детектор света можно визуализировать с помощью МРТ», — говорит он.

Лаборатория Ясанова ранее разработала датчики МРТ, которые могут взаимодействовать с различными молекулами в мозге, включая дофамин и кальций. Когда эти датчики связываются со своими мишенями, они влияют на магнитные взаимодействия датчика с окружающей тканью, в результате чего сигнал МРТ становится темнее или светлее.

Чтобы сделать светочувствительный МРТ-зонд, исследователи решили инкапсулировать магнитные частицы в наночастицу, называемую липосомой. Липосомы, использованные в этом исследовании, состояли из специализированных светочувствительных липидов, ранее разработанных Траунером. Когда эти липиды подвергаются воздействию света с определенной длиной волны, липосомы становятся более проницаемыми для воды или «дырявыми». Это позволяет магнитным частицам внутри взаимодействовать с водой и генерировать сигнал, который можно обнаружить с помощью МРТ.

Частицы, которые исследователи назвали репортерами липидных наночастиц (LisNR), могут переключаться с проницаемых на непроницаемые в зависимости от типа света, которому они подвергаются. В этом исследовании исследователи создали молекулы, которые просачиваются при воздействии ультрафиолетового света, а затем снова становятся непрозрачными при воздействии синего света. Исследователи также показали, что частицы могут реагировать на другие длины волн света.

«В этой статье показан новый датчик, позволяющий обнаруживать фотоны с помощью трансмозговой МРТ. Эта поучительная работа представляет собой новый путь для объединения исследований нейровизуализации, управляемых фотонами и протонами», — говорит Шэнь Юй, адъюнкт-профессор радиологии Гарвардской медицинской школы, который не был участвует в исследовании.

Карты света

Исследователи протестировали датчики в мозгу мышей. В частности, в части мозга, называемой полосатым телом, которая участвует в планировании движения и реакции на вознаграждение. После введения частиц по всему контуру исследователи смогли составить карту распределения света от оптического волокна, установленного поблизости.

Волокна, которые они использовали, аналогичны тем, которые используются для оптогенетической стимуляции, говорит Ясанофф, поэтому этот тип восприятия может быть полезен для исследователей, проводящих оптогенетические эксперименты в мозге.

«Мы не ожидаем, что все, кто работает в области оптогенетики, будут использовать это в каждом эксперименте — это скорее то, что вы будете делать время от времени, чтобы увидеть, действительно ли используемая вами модель создает световой профиль, о котором вы думаете». говорит Ясанофф.

В будущем этот тип датчика также может быть полезен для наблюдения за пациентами, получающими световое лечение, такое как фототерапия, при которой используется лазер или светодиодный свет для уничтожения раковых клеток.

В настоящее время исследователи работают над аналогичными датчиками, которые можно было бы использовать для обнаружения света, излучаемого люциферазами — семейством светящихся белков, часто используемых в биологических экспериментах. Эти белки можно использовать для определения того, активен ли конкретный ген, но в настоящее время их можно визуализировать только в поверхностных тканях или клетках, растущих в лабораторной чашке.

Ясанофф также надеется использовать стратегию, используемую в датчике LisNR, для разработки датчиков МРТ, которые могут обнаруживать стимулы, отличные от света, такие как нейрохимические вещества или другие молекулы в мозге.

«Мы думаем, что принцип, который мы используем для создания этих датчиков, очень широк и может использоваться и для других целей», — говорит он.

Исследование финансировалось Национальным институтом здравоохранения, Фондом Г. Гарольда и Европейской комиссией Лейлы Ю.