Изобретен раствор, который делает живой мозг прозрачным
Сделать живой мозг прозрачным, чтобы наблюдать за работой его нейронов, не нарушая их функций, — кажется чем-то из научной фантастики. Однако решение есть, и более того, оно присутствует в организме у каждого из нас.
В Университете Кюсю изобрели реагент, который позволяет увидеть более глубокие и яркие структуры как в срезах мозга в чашке Петри, так и у живых мышей, открывая для наблюдения нейронную активность, ранее скрытую от глаз. В основе разработки под названием SeeDB-Live, описанной в журнале Nature Methods, — альбумин, белок сыворотки крови.
«Это первый случай, когда просветление тканей достигнуто без изменения их биологических свойств», — говорит профессор Такеши Имаи, старший автор исследования.
«SeeDB-Live может проложить путь к прижизненной визуализации глубоких тканей — как ex vivo, так и in vivo», — добавляет первый автор статьи Сигенори Инагаки.
Законы оптики
Их подход основан на законах оптики. Для примера возьмем стеклянные шарики. В воздухе они отчетливо видны, но почти исчезают в масле. Это происходит потому, что свет преломляется и рассеивается при переходе между материалами с разными показателями преломления.
Аналогично ведут себя ткани мозга. Липиды и другие компоненты клеток создают микроскопические неоднородности, рассеивающие свет и скрывающие глубокие структуры. Уменьшаем эти неоднородности — и свет распространяется равномерно.
Путем систематических экспериментов авторы обнаружили, что максимально прозрачными живые клетки становятся, когда показатель преломления внеклеточного раствора доведен до значения 1,36–1,37.
Имея точную цель, исследователям нужно было найти нетоксичный способ ее достижения. Ранее они пробовали природные вещества, такие как сахар, но те требовали высоких концентраций, которые повышали осмотическое давление и обезвоживали клетки.
Поскольку осмотическое давление зависит от количества молекул и их размера, обратились к крупным сферическим полимерам. Протестировав почти 100 соединений, ученые не могли найти нужное. Прорыв случился неожиданно.
Неожиданное озарение
Как-то Инагаки допоздна засиделся в лаборатории, и вдруг его осенило: а ведь белки — это тоже полимеры! Он взял бутылку с бычьим сывороточным альбумином (BSA), распространенным лабораторным реагентом. К его удивлению, этот белок показал самое низкое осмотическое давление при желаемом показателе преломления.
«Чтобы убедиться, я перепроверял это три или четыре раза, — вспоминает биофизик. — Мы столько всего перепробовали, я никак не ожидал, что решение окажется таким простым».
SeeDB-Live делает срезы мозга мыши прозрачными в течение одного часа погружения. В сочетании с индикатором кальция в прозрачном срезе видна нормальная активность нейронов в глубоких слоях ткани. При нанесении на мозг живой мыши флуоресцентные сигналы от глубоких нейронов становятся в три раза ярче.
Это открывает четкий обзор на пятый (ганглиозный) слой коры, где густо разветвленные нейроны помогают понять, как мозг обрабатывает информацию и преобразует нейронную активность в действия. Стандартными методами получать четкие изображения на такой глубине было крайне сложно.
Идеальный реагент
Более того, поскольку внеклеточная жидкость вымывает SeeDB-Live в течение нескольких часов, прозрачность ткани возвращается к исходному состоянию. То есть метод не вызывает необратимых изменений, поэтому одну и ту же мышь можно подвергать многократным опытам, отслеживая активность мозга в динамике.
«Альбумин в изобилии содержится в крови и обладает высокой растворимостью, что делает его идеально подходящим для просветления. Это было случайное открытие, но, оглядываясь назад, оно кажется почти закономерным. То, что эволюция оттачивала миллионы лет, действительно впечатляет», — считает Имаи.
SeeDB-Live демонстрирует первое неинвазивное оптическое просветление, которое значительно увеличивает глубину визуализации и позволяет наблюдать за процессами в масштабе целой ткани. Исследователи полагают, что метод улучшит глубинную флуоресцентную визуализацию для понимания интегративных функций мозга. Он также может помочь в оценке трехмерных тканей и мозговых органоидов для исследований в области разработки лекарств.
Больше десяти лет профессор Имаи занимается разработкой методов визуализации тканей, и когда он получил растворы для просветления in vitro, его спрашивали: возможно ли сделать прозрачным живой орган?
«Раз сто мне задавали этот вопрос, и каждый раз я отвечал: „Это невозможно“. И вот что у нас есть спустя десять лет. Когда что-то кажется недостижимым, надо продолжать над этим думать, и в конце концов путь будет найден», — заключил он.
