Osservare il cervello sotto una luce diversa / Seeing the Brain in a Different Light
Osservare il cervello sotto una luce diversa / Seeing the Brain in a Different Light
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
Studiare il cervello vivente è da sempre una sfida. Tecniche come la risonanza magnetica e la tomografia computerizzata possono fornire alcune informazioni, ma spesso i dettagli vanno persi. Persino gli studi su tessuto cerebrale ex vivo non sono spesso dettagliati quanto i ricercatori desidererebbero, a causa della densità dei tessuti che compromette la qualità dell'immagine, anche con la fluorescenza.
Un gruppo di ricerca dell'Università di Kyushu, guidato dal dottor Takeshi Imai, docente del dipartimento di scienze mediche, ha lavorato allo sviluppo di una tecnica che non solo renda visibili i tessuti cerebrali, ma che lo faccia preservando le normali dinamiche cerebrali. Dopo aver testato quasi 100 composti con risultati variabili, il gruppod ha individuato un vincitore inaspettato.
Il loro lavoro è stato pubblicato su Nature Methods in un articolo intitolato " Mezzi di chiarificazione ottica isotonici e minimamente invasivi per l'imaging di cellule vive ex vivo e in vivo ".
Fondamentalmente, un'imaging efficace e nitida si ottiene riducendo l'opacità dei tessuti. La luce che attraversa tessuti non trasparenti può essere ostacolata e diffusa quando passa attraverso materiali con indici di rifrazione diversi. Nei tessuti, ciò è correlato alla moltitudine di componenti cellulari, tra cui lipidi e proteine. La luce che attraversa i tessuti si rifrange sui componenti cellulari e si diffonde, producendo immagini sfocate ed indistinte.
Regolare l'indice di rifrazione nei tessuti viventi è complicato, poiché i materiali aggiunti non solo influenzano l'opacità del tessuto, ma possono anche modificarne l'osmolarità, causando potenzialmente gonfiore, restringimento od alterazioni del comportamento cellulare.
Gli autori hanno descritto una situazione fortuita che li ha portati a testare l'albumina sierica bovina, un reagente comune in laboratorio. Hanno raccontato che una sera tardi, mentre stavano testando una moltitudine di altri potenziali agenti chiarificanti, il primo autore Shigenori Inagaki, PhD, professore assistente presso l'Università di Kyushu, ha riflettuto sul fatto che le proteine sono polimeri e potrebbero rappresentare un'opzione per chiarificare le cellule senza alterare l'osmolarità come fanno i carboidrati.
"L'ho testato tre o quattro volte prima di crederci", ha raccontato Inagaki. "Tra tutte le cose, non ci saremmo mai aspettati che si arrivasse a questo punto."
"L'albumina è abbondante nel sangue ed altamente solubile, il che la rende particolarmente adatta alla depurazione", ha osservato Imai. "È stata una scoperta accidentale, ma a ripensarci, sembra quasi naturale. Ciò che l'evoluzione ha plasmato nel corso di milioni di anni è davvero impressionante."
Il gruppo ha perfezionato la propria soluzione, sviluppando un terreno di coltura contenente albumina. Questa soluzione di chiarificazione, denominata SeeDB-Live, non solo rende il tessuto trasparente, ma non ne compromette la normale funzionalità.
"È la prima volta che si riesce ad ottenere la trasparenza dei tessuti senza alterarne la biologia", ha affermato Imai.
"Durante lo sviluppo di SeeDB-Live, abbiamo scoperto che i neuroni sono estremamente sensibili alle concentrazioni ioniche e ci è voluto uno sforzo enorme per ottenere la formulazione corretta", ha aggiunto Inagaki. "Grazie a quella fortunata notte trascorsa da solo in laboratorio, mi sono procurato una BSA ad alta purezza e costosa che normalmente non avrei osato usare."
"SeeDB-Live influisce minimamente sulle proprietà elettrofisiologiche neuronali e sulle risposte sensoriali in vivo e facilita l'imaging a fluorescenza degli strati corticali profondi in animali vivi senza tossicità rilevabile per i neuroni o il comportamento", hanno scritto gli autori.
Sebbene questa soluzione di trasparenza rappresenti un passo avanti nella capacità dei ricercatori di visualizzare i tessuti con maggiore dettaglio e profondità rispetto al passato, resta ancora del lavoro da fare per chiarirne appieno le applicazioni.
"Credo che non abbiamo ancora sfruttato appieno il suo potenziale", ha affermato Inagaki. Il lavoro proseguirà concentrandosi sul miglioramento della somministrazione, rendendola meno invasiva, poiché l'attuale metodo per visualizzare il cervello in vivo richiede un'incisione chirurgica che può causare stress all'animale. Prevedono inoltre di migliorare la penetrazione della soluzione per una visualizzazione più profonda del cervello.
«Quella domanda mi è stata posta un centinaio di volte, e ogni volta ho risposto "impossibile"», riflette Imai. «Ma dieci anni dopo, eccoci qui. Quando qualcosa sembra irraggiungibile, se continui a pensarci, alla fine potresti trovare una soluzione.»
ENGLISH
Studying living brains has long been a challenge. Techniques like MRI and CT scans can yield some information, but the details are often lost. Even studies of ex vivo brain tissue are often not as detailed as researchers would prefer, due to the density of tissues impairing image quality, even with fluorescence.
A research team at Kyushu University, led by Takeshi Imai, PhD, a faculty member in the medical sciences department, has been working on developing a technique that not only visually clears brain tissues, but does so in a way that preserves normal brain dynamics. After screening nearly 100 compounds with varying outcomes, the team identified an unlikely winner.
Studying living brains has long been a challenge. Techniques like MRI and CT scans can yield some information, but the details are often lost. Even studies of ex vivo brain tissue are often not as detailed as researchers would prefer, due to the density of tissues impairing image quality, even with fluorescence.
A research team at Kyushu University, led by Takeshi Imai, PhD, a faculty member in the medical sciences department, has been working on developing a technique that not only visually clears brain tissues, but does so in a way that preserves normal brain dynamics. After screening nearly 100 compounds with varying outcomes, the team identified an unlikely winner.
Their work is published in Nature Methods in a paper entitled, “Isotonic and minimally invasive optical clearing media for live cell imaging ex vivo and in vivo.”
Foundationally, effective and clear imaging comes from reducing the opacity of tissues. Light traveling through uncleared tissues can be impeded and scattered when passing through materials with different refractive indices. In tissues, this correlates to the multitude of cellular components including lipids and proteins. Light going through tissues refracts off the cellular components and scatter, resulting in blurred and indistinct images.
Adjusting the refractive index in living tissue is complicated as added materials not only affect opacity of the tissue, but can also change the osmolarity, potentially causing cells to swell, shrink, or behave differently.
The authors described a serendipitous situation that led them to test bovine serum albumin, a common reagent in the lab. They shared that late one evening in the midst of testing a multitude of other clearing candidates, first author Shigenori Inagaki, PhD, assistant professor at Kyushu University, reflected that proteins are polymers and may be an option to clear cells without impacting osmolarity the way that carbohydrates do.
“I tested it three or four times before I believed it,” Inagaki shared. “Of all things, we never expected it would come down to this.”
“Albumin is abundant in blood and highly soluble, which makes it well-suited for clearing,” noted Imai. “It was an accidental discovery, but looking back, it feels almost natural. What evolution has shaped over millions of years is truly impressive.”
The team refined their solution, developing a culture medium that included albumin. This clearing solution, dubbed SeeDB-Live, not only clears the tissue, but does not impact the tissue’s ability to function normally.
“This is the first time tissue clearing has been achieved without altering its biology,” said Imai.
“During the development of SeeDB-Live, we found that neurons are extremely sensitive to ion concentrations, and it took us enormous effort to get the formulation right,” Inagaki added. “Thanks to that fortunate night alone in the lab, I helped myself to an expensive, high-purity BSA I wouldn’t normally dare use.”
The team tested SeeDB-Live ex vivo in brain slices, immersing them for an hour in the solution. To test the ability to visualize neuronal function, they added a calcium indicator and were able to image neuronal firing deep in the tissue. In living mouse brains the fluorescence is three times brighter following SeeDB-Live application.
“SeeDB-Live minimally affects neuronal electrophysiological properties and sensory responses in vivo, and facilitates fluorescence imaging of deep cortical layers in live animals without detectable toxicity to neurons or behavior,” the authors wrote.
While this clearing solution is a step forward in the researchers’ ability to visualize tissues in more detail and greater depth that previously, there is still more work to fully clarify the applications.
“I feel we have not yet fully materialized its potential,” Inagaki said. Continued work will focus on improving delivery to be less invasive, as the current method for visualizing the brain in vivo requires a surgical window that can cause the animal stress. They also plan to improve solution penetration for deeper visualization into the brain.
“That question came to me about a hundred times, and each time I answered ‘impossible,’” Imai reflects. “But ten years later, here we are. When something seems unachievable, if you keep thinking about it, you may eventually find a way.”
Da:
https://www.genengnews.com/topics/translational-medicine/seeing-the-brain-in-a-different-light/?_hsenc=p2ANqtz-91fddxmJC3YqPUd8AwXADyGL3WatiuuiAe2Au9yDWeH0cRhp6XCR2Dz3VQysabtRWPkbPtT4_S6Hr5w5OJev0e9D49d5rfBYIdGGdze8H10gMgDjY&_hsmi=408645677
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