Przejrzeć organizm na wylot. Obrazowanie ciała z niespotykaną dotąd szczegółowością

Naukowcy z Monachium opracowali nową technikę obrazowania, która zapewnia szczegółowe, trójwymiarowe obrazy struktur wewnątrz ciała, rzucając nowe światło na złożone systemy biologiczne i choroby. W metodzie, nazwanej wildDISCO, uczeni sprawiają, że organizm staje się przezroczysty, co pozwala na obserwowanie z niespotykaną dotąd szczegółowością narządów wewnętrznych i tkanek.

Modele zwierzęce wykorzystywane w badaniach są kontrowersyjną, ale integralną częścią sposobu, w jaki odkrywamy nowe leki. Na przykład stworzenie i testowanie środka, który potencjalnie niszczy nowotwór, jest łatwiejsze na szalce Petriego, niż wprowadzenie go do organizmu człowieka, co może nie skończyć się dobrze. Dlatego też modele zwierzęce używane są m.in. do testowania leków, zanim te okażą się na tyle bezpieczne, by może było je wypróbować na ludziach.

Istnieją też różne inne techniki, które pozwalają na opracowanie nowych, potencjalnie skutecznych środków, zmniejszając zależność od modeli zwierzęcych, jednak są to metody kosztowne i wymagające dopracowania. Modele zwierzęce są nadal wiodącą metodą opracowywania nowych medykamentów, a poprawa ich działania może mieć znaczenie dla wydajniejszego ich odkrywania.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Kilka dni temu zespół naukowców z Helmholtz Monachium i Ludwig-Maximilians Universität München (LMU) poinformował o opracowaniu innowacyjnej techniki obrazowania wildDISCO, dzięki której modele zwierzęce staną się jeszcze bardziej użyteczne. Metoda ta sprawia, że organizmy stają się "przezroczyste", co pozwala na obserwowanie z niespotykaną dotąd szczegółowością narządów wewnętrznych i tkanek. Technika ta ma potencjał, by zmienić nasze rozumienie skomplikowanych procesów zachodzących w organizmie i może być wykorzystana do znacznego usprawnienia opracowywania nowych leków. Opis nowej metody ukazał się na łamach "Nature Biotechnology" (DOI: 10.1038/s41587-023-01846-0).

Aby zobaczyć określone struktury czy komórki w organizmie naukowcy wykorzystują genetycznie zmodyfikowane zwierzęta lub specjalne markery. Są to kosztowne i czasochłonne metody, zwłaszcza jeśli chodzi o systemy obejmujące całe ciało, takie jak układ nerwowy. W metodzie wildDISCO niemieccy naukowcy wykorzystali standardowe przeciwciała do mapowania całych organizmów myszy. Umożliwiło to zobrazowanie trójwymiarowych struktur w ciałach gryzoni w stosunkowo łatwy w użyciu i ekonomiczny sposób.

Uczeni przetestowali metodę na zdechłej myszy i wygląda na to, że obecnie da się ją stosować tylko na martwych organizmach. - Chociaż obecnie naukowcy będą mogli wykorzystać tę technikę jedynie do zbadania ciał martwych myszy, może nam ona wiele powiedzieć o tym, jak rozwija się chociażby rak we wczesnych stadiach choroby. Możliwość wizualizacji guzów w kontekście całego ciała będzie również dawać naukowcom lepsze zrozumienie wpływu różnych leków i terapii – powiedział dr Rupal Mistry z Cancer Research UK.

Najpierw usunięto z tkanek myszy tłuszcz i pigment za pomocą koktajlu chemikaliów. To sprawiło, że ciało gryzonia stało się przezroczyste. Metodę tę opracował ten sam zespół badaczy jeszcze w 2016 roku. Następnie wspomniane przeciwciała zostały sprzężone ze znacznikami fluorescencyjnymi i wprowadzone do ciała nieżyjącego gryzonia poprzez sztuczny system krążenia pozaustrojowego. Różne przeciwciała przyczepiają się do różnych rodzajów tkanek, co wykorzystali badacze.

W kolejnym kroku uczeni zastosowali mikroskop fluorescencyjny. To pozwoliło wykryć sygnał fluorescencyjny określonego przeciwciała związanego ze strukturą, cząsteczką lub komórką będącą przedmiotem zainteresowania. Zaawansowane narzędzia obliczeniowe pomogły stworzyć mapy całego ciała ze wszystkimi określonymi lokalizacjami, w których cząsteczka będąca przedmiotem zainteresowania jest obecna.

- Wiedza o tym, gdzie w organizmie dochodzi do ekspresji każdego białka, jest niezbędna do wszechstronnego zrozumienia działania organizmu i tego, co dzieje się nie tak w złożonych chorobach – przyznał kierujący zespołem badaczy prof. Ali Ertürk

Najtrudniejszym w tym projekcie, jak przyznał prof. Ertürk, było znalezienie sposobu na równomierne rozprowadzenie dość dużego przeciwciała w każdej komórce. Jednak uczonym udało się zidentyfikować specyficzny związek, który zwiększa przepuszczalność błony komórkowej i ułatwia głęboką i równomierną penetrację standardowych przeciwciał bez ich agregacji.

Korzystając z wildDISCO naukowcy byli w stanie stworzyć szczegółowe mapy struktur komórkowych całego ciała myszy, skupiając się na układzie nerwowym, naczyniach limfatycznych, naczyniach krwionośnych i komórkach odpornościowych. Mapy te zgromadzono w czymś w rodzaju atlasu, który został udostępniony on-line społeczności naukowej. "Nasze atlasy wygenerowały już dane do opublikowanych artykułów naukowych. Uczeni dzięki temu oszczędzają czas, zasoby i ograniczają wykorzystywanie zwierząt" - przyznali w oświadczeniu dr Hongcheng Mai i dr Jie Luo, współautorzy badań.

Opracowana przez niemieckich naukowców metoda może ułatwić modelowanie złożonych systemów biologicznych i chorób, na przykład poprzez nakreślenie ścieżki przerzutów nowotworowych i tego, czy zaprojektowane terapie docierają do każdego pojedynczego mikroprzerzutu.

Obecne technologie obrazowania nowotworów (MRI i PET) dobrze sprawdzają się w wykrywaniu dużych guzów, ale w przypadku tych mniejszych nie zawsze się sprawdzają. Uważa się, że to właśnie dlatego choroba nowotworowa ma tak duże prawdopodobieństwo nawrotu – duże skupiska komórek rakowych są usuwane, ale wciąż istnieją mniejsze, które czekają, by ponownie się rozwinąć. Ogromna rozdzielczość wildDISCO może zidentyfikować małe grupy komórek nowotworowych, które normalnie nie zostałyby wykryte, co pozwoli naukowcom poprawić skuteczność leków i zrozumieć, w jaki sposób rozprzestrzenia się nowotwór.

- Skanowanie MRI i PET wykazałoby tylko duże guzy. Nasza metoda pokazuje guzki w pojedynczej komórce, czego absolutnie MRI oraz PET nie mogą. Obecne leki przedłużają życie o kilka lat, a potem rak wraca. To dlatego, że proces rozwoju nigdy nie obejmował eliminacji tych małych guzów, które nigdy nie były widoczne – podkreślił Ertürk.

Obecnie zespół prof. Ertürka pracuje nad dalszym zwiększaniem możliwości wildDISCO. Naukowcy przewidują, że w przyszłości technologia pozwoli na przykład na jednoczesne wykorzystanie wielu przeciwciał, aby umożliwić wspólne modelowanie złożonych systemów. Ale to nie wszystko. Wysokiej jakości dane z obrazowania generowane przez wildDISCO są potrzebne do szkolenia algorytmów sztucznej inteligencji, które najlepiej uczą się na dużych zbiorach danych. - Wyobraźmy sobie, co można by zrobić z tymi mapami, jeśli połączymy je z mocą głębokiego uczenia? - zapytał Ertürk. Dlatego też zespół jest zaangażowany w wykorzystanie mocy sztucznej inteligencji do symulacji złożonych systemów biologicznych, a ostatecznym celem jest zrozumienie chorób i skuteczniejsze opracowywanie nowych metod leczenia bez potrzeby dalszych eksperymentów na zwierzętach.

Źródło: Helmholtz Monachium, BBC, IFLScience, fot. Ertürk et al/ Nature Biotechnology