Биомедицинские и генетические инженеры из Университета Дьюка и Медицинского колледжа Альберта Эйнштейна разработали процесс изменения цвета ткани мыши на изображениях, чтобы лучше визуализировать ее внутреннюю физиологию.
Этот подход поможет исследователям изолировать и удалить источники сильного фонового шума в биомедицинских изображениях , предоставив им беспрецедентный доступ к наблюдению, влиянию и изображению биологических процессов с помощью быстро развивающейся техники визуализации, называемой фотоакустической визуализацией . Исследование появилось 19 мая в журнале Nature Communications.
Как следует из названия, фотоакустическая визуализация (PA) использует как свет, так и звук для получения подробных изображений клеток, органов и других тканей по всему телу. Процесс визуализации посылает импульс лазерного излучения глубоко в ткань, заставляя клетки нагреваться и мгновенно расширяться. Это создает ультразвуковую волну, которая предоставляет информацию о структуре и составе тканей и клеток-мишеней, которую можно преобразовать в изображения с высоким разрешением .
Но в то время как ультразвуковой компонент фотоакустической визуализации позволяет инженерам заглянуть глубже в ткань, чем традиционная визуализация, он также создает проблему: фоновый шум.
«Если мы хотим изобразить что-то вроде того, как опухоль растет или сжимается, нам трудно увидеть что-то существенное, потому что фоновые ультразвуковые сигналы от текущей крови заглушают все», — сказал Цзюньджи Яо, доцент кафедры биомедицинской инженерии в Университете Дьюка. «Это все равно, что пытаться наблюдать за звездами при дневном свете — солнечный свет подавляет все другие источники света».
Новая генно-инженерная модель мыши , разработанная Яо и Владиславом Верхуша, профессором генетики Эйнштейна, дает исследователям эффективный способ изолировать и удалить этот фоновый шум.
Для этого Верхуша и его команда ввели в клетки своей мышиной модели специализированный светочувствительный фоторецептор, названный BphP1. Обычно встречающийся у бактерий, BphP1 часто используется в качестве исследовательского инструмента на основе света, потому что он может переключаться между безмолвным и активным состоянием, когда на него воздействует свет с определенной длиной волны. Эти светочувствительные белки полезны для фотоакустической визуализации, потому что они могут особенно хорошо связываться с биливердином, молекулой, которая присутствует в больших количествах в тканях, но редко появляется в клетках крови.
После того, как эти белки были генетически введены в их мышиную модель, команда осветила все животное красным светом с определенной длиной волны. Эта вспышка света активировала Bph1, заставив мышь изменить цвет. Затем они направили на мышь свет с длиной волны ближнего инфракрасного света, заставив BphP1 вернуться в безмолвное состояние. Хотя изменение цвета не видно невооруженным глазом, его можно наблюдать с помощью фотоакустической визуализации.
«Кровь не выражает эту способность изменять цвет, поэтому, когда мы переключаем животных между двумя цветами, мы знаем, что фоновый шум от крови не изменится», — сказал Яо. «Внезапно шум становится постоянным компонентом изображения, и мы можем использовать простой метод обработки данных, чтобы удалить его. Этот процесс сделал нашу систему обработки изображений на порядки более чувствительной».
В качестве доказательства концепции команда визуализировала печень, желудок, селезенку и кишечник, чтобы показать, как различные органы в модели экспрессируют фоторецептор. Они увидели, что, хотя все органы выглядели более четко, чем при стандартной PA, селезенка и печень были особенно точными, поскольку они имели более высокие уровни молекулы биливердина, с которыми мог связываться BphP1. Эта улучшенная детализация позволила команде более точно отслеживать изменения, такие как регенерация печени, и отслеживать эффективность различных методов доставки белка.
Новая техника также позволила команде лучше изучить беременность у мышей, поскольку BphP1 мог напрямую связываться с эмбрионами. Команда смогла использовать PA, чтобы точно идентифицировать семь эмбрионов из окружающей сосудистой системы и материнских органов.
Яо и Верхуша надеются на расширение использования своей модели мыши. Одно из направлений исследований включает изучение иммунного ответа на терапию рака. Яо предполагает, что они могут добавлять BphP1 к раковым или иммунным клеткам и наблюдать за их перемещением по организму и их реакцией на лечение.
Помимо визуализации, Верхуша и его команда продолжат изучать, как их модель может способствовать оптогенетическим исследованиям, которые включают использование света для управления клеточной активностью.
«Для меня этот проект был хорошим сочетанием биохимии и визуализации», — сказал Яо. «Идея мыши, меняющей цвет, действительно захватывающая сама по себе, но я оптимистично настроен, что мы можем использовать эту мышь, чтобы творить чудеса».
