Nieuwe sensor gebruikt MRI om licht diep in de hersenen te detecteren

Met behulp van een gespecialiseerde MRI-sensor hebben MIT-onderzoekers aangetoond dat ze licht diep in weefsels zoals de hersenen kunnen detecteren.

Het is buitengewoon moeilijk om licht in diep weefsel in beeld te brengen, omdat als licht weefsel binnendringt, veel ervan wordt geabsorbeerd of verstrooid. Het MIT-team overwon deze hindernis door een sensor te ontwerpen die licht omzet in een magnetisch signaal dat detecteerbaar is door MRI (magnetic resonance imaging).

Dit type sensor zou kunnen worden gebruikt om het licht in kaart te brengen dat wordt uitgezonden door optische vezels die in de hersenen zijn geïmplanteerd, zoals de vezels die worden gebruikt om neuronen te stimuleren tijdens optogenetische experimenten. Met verdere ontwikkeling zou het ook nuttig kunnen zijn voor het monitoren van patiënten die op licht gebaseerde therapieën voor kanker krijgen, aldus de onderzoekers.

« We kunnen ons de verdeling van licht in weefsel voorstellen, en dat is belangrijk omdat mensen die licht gebruiken om weefsel te stimuleren of om vanaf weefsel te meten, vaak niet precies weten waar het licht heen gaat, waar het stimulerend is of waar het licht is. afgeleid van. Onze tool kan worden gebruikt om deze onbekenden aan te pakken”, zegt Alan Jasanoff, MIT-professor biologische engineering, hersen- en cognitieve wetenschappen, en nucleaire wetenschap en engineering.

Jasanoff, die ook onderzoeksmedewerker is bij het McGovern Institute for Brain Research van het MIT, is de hoofdauteur van de studerendie vandaag verschijnt in Natuur Biomedische Technologie. Jacob Simon PhD ’21 en MIT-postdoc Miriam Schwalm zijn de hoofdauteurs van het artikel, en Johannes Morstein en Dirk Trauner van New York University zijn ook de auteurs van het artikel.

Een lichtgevoelige sonde

Wetenschappers gebruiken licht al honderden jaren om levende cellen te bestuderen, daterend uit de late jaren 1500 toen de optische microscoop werd uitgevonden. Met dit type microscopie kunnen onderzoekers in cellen en dunne plakjes weefsel kijken, maar niet diep in een organisme.

« Een van de hardnekkige problemen bij het gebruik van licht, vooral in de biowetenschappen, is dat het niet goed doordringt in veel materialen », zegt Jasanoff. « Biologische materialen absorberen licht en verstrooien licht, en de combinatie van deze elementen verhindert ons om de meeste soorten optische beeldvorming te gebruiken voor alles wat te maken heeft met focus op diep weefsel. »

Om deze beperking te overwinnen, besloten Jasanoff en zijn studenten een sensor te ontwerpen die licht kan omzetten in een magnetisch signaal.

“We wilden een magnetische sensor maken die plaatselijk reageert op licht en dus niet onderhevig is aan absorptie of verstrooiing. Dan kan die lichtdetector met MRI in beeld worden gebracht”, zegt hij.

Het laboratorium van Jasanoff heeft eerder MRI-sondes ontwikkeld die kunnen interageren met een verscheidenheid aan moleculen in de hersenen, waaronder dopamine en calcium. Wanneer deze sondes zich binden aan hun doelen, beïnvloedt dit de magnetische interacties van de sensoren met de omliggende weefsels, waardoor het MRI-signaal wordt verzwakt of helderder wordt.

Om een ​​lichtgevoelige MRI-sonde te maken, besloten de onderzoekers magnetische deeltjes in te sluiten in een nanodeeltje dat liposoom wordt genoemd. De liposomen die in dit onderzoek zijn gebruikt, zijn gemaakt van gespecialiseerde lichtgevoelige lipiden die Trauner eerder had ontwikkeld. Wanneer deze lipiden worden blootgesteld aan een bepaalde golflengte van licht, worden de liposomen meer waterdoorlatend of ‘lek’. Hierdoor kunnen de magnetische deeltjes binnenin interageren met het water en een signaal genereren dat detecteerbaar is door MRI.

De deeltjes, die de onderzoekers liposomale nanodeeltjesreporters (LisNR) noemden, kunnen veranderen van doorlatend in ondoordringbaar, afhankelijk van het soort licht waaraan ze worden blootgesteld. In deze studie creëerden de onderzoekers deeltjes die lekken bij blootstelling aan ultraviolet licht en vervolgens weer ondoordringbaar worden bij blootstelling aan blauw licht. De onderzoekers toonden ook aan dat de deeltjes konden reageren op andere golflengten van licht.

“Dit artikel presenteert een nieuwe sensor die de detectie van fotonen door MRI door de hersenen mogelijk maakt. Dit verhelderende werk introduceert een nieuwe weg voor het koppelen van foton- en proton-gerichte neuroimaging-onderzoeken”, zegt Xin Yu, assistent-professor radiologie aan de Harvard Medical School, die niet betrokken was bij het onderzoek.

Mapping-lamp

De onderzoekers testten de sensoren in de hersenen van de ratten, met name in een deel van de hersenen dat het striatum wordt genoemd en dat betrokken is bij bewegingsplanning en beloningsreacties. Nadat de deeltjes door het striatum waren geïnjecteerd, konden de onderzoekers de lichtverdeling van een nabijgelegen geïmplanteerde optische vezel in kaart brengen.

De vezel die ze gebruikten is vergelijkbaar met die voor optogenetische stimulatie, dus dit soort waarneming kan nuttig zijn voor onderzoekers die optogenetische experimenten in de hersenen uitvoeren, zegt Jasanoff.

« We verwachten niet dat iedereen die optogenetica doet, het voor elk experiment gebruikt – het is eerder iets dat je af en toe zou doen, om te zien of een paradigma dat je gebruikt echt het profiel produceert. licht zoals je denkt dat het zou moeten zijn ‘, zegt Jasanoff.

In de toekomst zou dit type sensor ook nuttig kunnen zijn voor het monitoren van patiënten die behandelingen met licht ondergaan, zoals fotodynamische therapie, waarbij licht van een laser of led wordt gebruikt om kankercellen te doden.

De onderzoekers werken momenteel aan vergelijkbare sondes die kunnen worden gebruikt om licht te detecteren dat wordt uitgezonden door luciferasen, een familie van gloeiende eiwitten die vaak worden gebruikt in biologische experimenten. Deze eiwitten kunnen worden gebruikt om te onthullen of een bepaald gen is ingeschakeld of niet, maar momenteel kunnen ze alleen worden afgebeeld in oppervlakkige weefsels of cellen die in een laboratoriumschaal zijn gekweekt.

Jasanoff hoopt ook de strategie te gebruiken die voor de LisNR-sensor wordt gebruikt om MRI-sondes te ontwerpen die in staat zijn om andere stimuli dan licht te detecteren, zoals neurochemicaliën of andere moleculen die in de hersenen aanwezig zijn.

« We denken dat het principe dat we gebruiken om deze sensoren te bouwen vrij breed is en ook voor andere doeleinden kan worden gebruikt », zegt hij.

Het onderzoek werd gefinancierd door de National Institutes of Health, de G. Harold en Leila Y. Mathers Foundation, een Friends of the McGovern Fellowship van het McGovern Institute for Brain Research, het Neurobiological Engineering Training Program aan het MIT en een Marie Individual Fellowship. Curie van de Europese Commissie.

Geschreven door Anna Trafton

Bron: Massachusetts Institute of Technology