Новые фотоакустические зонды позволяют визуализировать глубокие ткани мозга и отслеживать активность нейронов
Для лучшего понимания работы мозга необходимы новые методы наблюдения за его активностью. Именно эта задача лежит в основе проекта молекулярной инженерии, реализованного двумя исследовательскими группами Европейской лаборатории молекулярной биологии (EMBL). Результатом стала новая стратегия создания фотоакустических зондов для нейробиологии. Результаты опубликованы в Journal of the American Chemical Society.
«Фотоакустика позволяет получать изображения всего мозга мыши, но нам не хватало подходящих зондов для визуализации активности нейронов», — отметил Роберт Преведел, руководитель группы в EMBL и старший автор работы. Для решения этой технологической задачи он объединил усилия с Клэр Део, также руководителем группы и старшим автором исследования, чья команда специализируется на химической инженерии.
«Мы смогли показать, что можем маркировать нейроны в определенных областях мозга зондами, достаточно яркими для обнаружения нашим кастомным фотоакустическим микроскопом», — сказал Преведел.
Ученые могут отслеживать биологические процессы, наблюдая за определенными химическими веществами, такими как ионы или биомолекулы. Фотоакустические зонды могут выступать в роли «репортеров» для трудно обнаруживаемых веществ, специфически связываясь с ними. Затем зонды поглощают свет при возбуждении лазером и испускают звуковые волны, которые регистрируются специальным оборудованием.
Однако для нейробиологических применений до сих пор не удавалось создать целевые репортеры, способные визуализировать функции мозга с помощью фотоакустики.
Хотя исследователи экспериментировали с синтетическими красителями в качестве фотоакустических репортеров активности нейронов, контроль над их распределением и маркировкой оставался сложной задачей. Белки были полезны как зонды для таргетинга специфических молекул, но еще не привели к созданию эффективных фотоакустических зондов для мониторинга нейронной активности во всем мозге.
«В нашем случае мы взяли лучшее от обоих типов сенсоров, объединив белок с рационально спроектированным синтетическим красителем. Теперь мы можем маркировать и визуализировать нейроны в конкретных интересующих областях», — пояснил Александр Кук, первый автор исследования и предокторант в группе Део. При рациональном дизайне исследователи используют существующие знания и принципы для создания молекул с желаемыми свойствами, вместо случайного синтеза и тестирования соединений.
«Кроме того, речь идет не о статичном наблюдении: этот зонд демонстрирует обратимый, динамический ответ на кальций, который является маркером активности нейронов», — добавил Кук.
По словам Део, важным препятствием для этого технологического развития было отсутствие методов оценки создаваемых зондов, поскольку фотоакустические зонды мало изучены.
Поэтому проект начался с создания Никитой Кайдановым, соавтором исследования и предокторантом в группе Преведела, кастомной спектроскопической установки.
«Не существует коммерческой установки, способной измерять фотоакустические сигналы зонда в пробирках или кюветах, поэтому нам пришлось построить свою собственную», — сказал Кайданов. «Мы создали собственный фотоакустический спектрометр для оценки и оптимизации зондов».
«Это позволило нам охарактеризовать различные созданные нами зонды и оценить несколько параметров», — сказала Део. «Производят ли они детектируемый фотоакустический сигнал? Достаточно ли они чувствительны? Так мы определяли следующие шаги».
Но создание работающих в пробирке зондов не было конечной целью. Исследователи проверили работу зондов на практике. Они разработали способ доставки зондов в мозг мыши и успешно зарегистрировали фотоакустические сигналы от нейронов в целевых областях мозга.
«Хотя мы воодушевлены прогрессом, нужно четко понимать, что это лишь первое поколение таких зондов», — отметила Део. «Хотя они предлагают очень перспективный подход, впереди много работы, но это хорошая первая демонстрация возможностей системы и ее потенциала для лучшего понимания функций мозга».
Следующие шаги включают улучшение системы доставки красителя и подтверждение возможности их использования для динамической визуализации внутри клеток.
«Одно из преимуществ EMBL — объединение множества людей с разным опытом», — сказал Преведел. «Мы оба разработчики, но по-разному: моя группа больше работает над инструментарием, а группа Клэр — над молекулярными инструментами. А сочетание этого с нейробиологами, которые затем тестируют эти инструменты, — это особый и уникальный способ ведения исследований, возможный только в EMBL».