Naar schatting leven 5,5 miljoen Amerikanen met de ziekte van Alzheimer, een vorm van dementie die problemen met het geheugen veroorzaakt, denken en gedrag. Hoewel behandelingen de verergering van de symptomen kunnen vertragen, wetenschappers werken nog steeds aan een beter begrip van de neurodegeneratieve ziekte, zodat curatieve en preventieve medicijnen kunnen worden ontwikkeld. Een nieuw beeldvormingssysteem kan de ontwikkeling van nieuwe geneesmiddelen helpen versnellen door een betere manier te bieden om de hersenveranderingen die wijzen op de ziekte van Alzheimer te volgen in muismodellen van de ziekte.

Muizen die genetisch gemodificeerd zijn om kenmerken van de ziekte van Alzheimer te vertonen, zijn een waardevol hulpmiddel voor het bestuderen van de biologie van de ziekte en het testen van nieuwe medicijnen. Net als mensen met de ziekte, de hersenen van deze muizen hopen klonten eiwitten op die bekend staan ​​als seniele plaques. Qingming Luo's Visible Brain-wide Networks-team aan de Huazhong University of Science and Technology, China ontwikkelde een systeem genaamd cryo-micro-optical sectioning tomography (cryo-MOST) dat het vermogen verbetert om deze seniele plaques in het hele muizenbrein af te beelden.

"Het bestuderen van de hersenbrede distributie van seniele plaques bij muizen zal een beter begrip vergemakkelijken van hoe hersenfuncties verslechteren tijdens de progressie van de ziekte van Alzheimer, " zei Jing Yuan, een belangrijk lid van het onderzoeksteam. "We hopen dat cryo-MOST de ontwikkeling en evaluatie van behandelingen voor de ziekte van Alzheimer zal versnellen."

In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Letters , de onderzoekers detailleren hun cryo-MOST-systeem en rapporteren de resultaten van het gebruik ervan om 3D te creëren, kaarten met micronresolutie van seniele plaques in de hersenen van een muismodel van de ziekte van Alzheimer. Het nieuwe systeem is eenvoudig en efficiënt in vergelijking met conventionele benaderingen, vereist geen externe kleurstoffen of labels, en omdat het optisch is, biedt meer gedetailleerde informatie dan andere beeldvormende technieken zoals magnetische resonantie beeldvorming (MRI) of Positron Emissie Tomografie (PET).

Koelweefsel om de beeldvorming te verbeteren

Labels zijn niet nodig met cryo-MOST omdat het profiteert van de natuurlijke fluorescentie van seniele plaques na blootstelling aan excitatielicht, een eigenschap die bekend staat als autofluorescentie. De onderzoekers ontdekten dat het verlagen van de weefseltemperatuur tot minder dan -100 graden Celsius de autofluorescentie van seniele plaques helderde en de resulterende beelden verbeterde.

"Exogene kleurstoffen kunnen leiden tot aspecifieke, vals-positieve of ongelijke etikettering in hersenweefsel, die de observatie van authentieke pathologische structuurveranderingen van de ziekte van Alzheimer belemmert, " zei Yuan. "Onze labelloze aanpak vermijdt deze problemen en vereenvoudigt ook de monstervoorbereiding, waardoor het onderzoeksproces wordt versneld."

Om de ultra-lage temperaturen te behouden die nodig zijn om de fluorescentie te verbeteren, de onderzoekers creëerden een systeem dat beeldvorming mogelijk maakte van een monster ondergedompeld in vloeibare stikstof. Omdat traditionele optische microscopie alleen het oppervlak van het weefsel kan afbeelden, ze gebruikten een mechanische freesmachine die elke keer dat het oppervlak werd afgebeeld een laag van het weefsel verwijderde. Bij het verkrijgen van beelden van het hele muizenbrein, het systeem wisselt automatisch tussen frezen en beeldvorming door een mechanisch platform te gebruiken om het monster te verplaatsen.

De seniele plaques in kaart brengen

Om het vermogen van cryo-MOST aan te tonen om de hersenbrede distributie van seniele plaques in beeld te brengen, de onderzoekers gebruikten het om een ​​​​hele hersenen in beeld te brengen van een 17-maanden APP/PS1-muismodel van de ziekte van Alzheimer.

"De beelden van een bejaarde muis met de ziekte van Alzheimer onthulden dat seniele plaques zich naar de hele hersenen hebben verspreid, " zei Yuan. "Dit geeft aan dat de ziekte niet alleen het geheugen en de intelligentie schaadt, maar kan ook een algehele verslechtering van andere hersenfuncties veroorzaken."

Het systeem dat in het artikel wordt gebruikt, heeft een laterale resolutie van 1,072 micron en een axiale resolutie van 17,152 micron bij het detecteren van fluorescentie bij een golflengte van 536 nm. De onderzoekers zeggen dat deze parameters verder kunnen worden verbeterd door een betere microscoop te gebruiken.

Omdat de grootte van het afgebeelde weefsel alleen wordt beperkt door het maximale bewegingsbereik van de mechanische tafel, het systeem zou kunnen worden gebruikt voor het bestuderen van menselijk hersenweefsel van overleden donoren. Het kan ook nuttig zijn voor het visualiseren van andere biologische moleculen die autofluorescentie in andere organen vertonen. Bijvoorbeeld, het zou de verdeling van het metabolisme in organen zoals de nier en de lever in beeld kunnen brengen.

Het onderzoeksteam werkt momenteel aan het verbeteren van de automatisering van de aanpak om beeldacquisitie te versnellen en neemt verbeteringen op die de beeldkwaliteit zullen verbeteren. Dankzij deze upgrades kan hun aanpak voor meer toepassingen worden gebruikt. Ze blijven ook cryo-MOST gebruiken om seniele plaquedistributie en morfologische veranderingen te bestuderen die gepaard gaan met de progressie van de ziekte van Alzheimer.

"Naast het evalueren van de werkzaamheid van geneesmiddelen voor neurodegeneratieve ziekten, we geloven dat onze methode neurowetenschappers zal helpen de relatie tussen seniele plaquedistributie en andere sleutelfactoren van de ziekte van Alzheimer te begrijpen, " zei Yuan. "Dit zal het uitgebreide begrip van de ziektemechanismen en de behandeling verbeteren."