Onderzoekers van Washington University in St. Louis (WashU) hebben een nieuwe beeldvormingstechniek ontwikkeld waarmee tegelijkertijd de activiteit van individuele zenuwcellen en de zuurstoftoevoer door bloedvaten kan worden gevolgd. De technologie combineert twee-fotonmicroscopie met fotoakoestische microscopie en maakt het mogelijk om processen op celniveau in realtime te observeren.
Het onderzoeksteam onder leiding van Song Hu, hoogleraar biomedische technologie aan de McKelvey School of Engineering, beschrijft de nieuwe TPM-PAM-techniek in Nature Communications. De methode kan meer inzicht geven in de samenwerking tussen neuronen en bloedvaten en in verstoringen daarvan bij onder meer beroertes en neurodegeneratieve aandoeningen.
Zenuwactiviteit én zuurstof zichtbaar
Hersenactiviteit is nauw verbonden met de bloedvoorziening. Actieve zenuwcellen hebben energie en daarmee zuurstof nodig, waarna bloedvaten hun toevoer aanpassen aan die veranderende behoefte. Om deze zogeheten neurovasculaire koppeling goed te onderzoeken, moeten beide processen gelijktijdig kunnen worden gevolgd.
Twee-fotonmicroscopie wordt gebruikt om met behulp van fluorescerende markers neuronale activiteit zichtbaar te maken. Fotoakoestische microscopie gebruikt daarentegen geluidsgolven die door licht worden opgewekt om onder meer bloedstroming en zuurstofvoorziening te meten.
Door beide technieken te combineren konden de onderzoekers voor het eerst op celniveau gelijktijdig calciumactiviteit van afzonderlijke neuronen en de afgifte van zuurstof door individuele rode bloedcellen registreren bij wakkere muizen. Daarmee ontstaat een gedetailleerd beeld van de manier waarop hersenactiviteit en zuurstoftoevoer elkaar beïnvloeden.
Laserpulsen
Om het platform te demonstreren, stimuleerden de onderzoekers de snorharen van muizen. Vervolgens registreerden ze tegelijkertijd veranderingen in de calciumactiviteit van neuronen en in de zuurstoftoevoer via het bloed. Daarnaast gebruikten ze nauwkeurig gerichte laserpulsen om één haarvat te blokkeren of een afzonderlijk neuron te stimuleren. Daarna konden ze volgen wat er gebeurde met nabijgelegen zenuwcellen en rode bloedcellen.
Volgens de onderzoekers maakt deze combinatie van zeer lokale interventies en gelijktijdige metingen het mogelijk om verder te gaan dan het vaststellen van correlaties. De technologie kan worden gebruikt om oorzaak-gevolgrelaties tussen neuronale activiteit, bloedstroming en zuurstoftoevoer op celniveau te onderzoeken.
Tot nu toe is de methode alleen in diermodellen getest. Op termijn kan zij bijdragen aan onderzoek naar aandoeningen waarbij de neurovasculaire koppeling verstoord raakt. Bij een beroerte kan bijvoorbeeld de bloedtoevoer naar hersenweefsel veranderen, terwijl ook bij neurodegeneratieve aandoeningen de relatie tussen zenuwcellen en de kleine bloedvaten relevant is voor onderzoek naar ziekteprocessen.
De bevindingen kunnen daarnaast helpen om bestaande klinische beeldvorming beter te begrijpen. Functionele MRI meet neuronale activiteit namelijk niet rechtstreeks. De techniek leidt veranderingen in hersenactiviteit af uit veranderingen in bloedstroming en zuurstofvoorziening. Meer kennis over de processen die zich daarbij op celniveau afspelen, kan volgens Hu helpen om dergelijke indirecte signalen nauwkeuriger te interpreteren.
Optisch transparante akoestische sensor
Het technisch combineren van de twee microscopietechnieken vormde daarbij een belangrijke uitdaging. Ultrasone detectoren die bij conventionele fotoakoestische microscopie worden gebruikt, kunnen het optische pad blokkeren. Andere oplossingen kunnen ten koste gaan van de resolutie van twee-fotonmicroscopie.
Samen met onderzoekers van Northwestern University ontwikkelde het team daarom een optisch transparante akoestische sensor. Deze bestaat uit een polymeer micro-ringresonator op glas. Ultrasone golven vervormen de ring minimaal, waardoor een meetbare verandering in de optische resonantie ontstaat. Tegelijkertijd kan het licht voor de twee-fotonmicroscopie vrijwel ongehinderd door de sensor.
Volgens de onderzoekers maakt deze oplossing het mogelijk beide technieken te combineren zonder hun afzonderlijke beeldvormingsmogelijkheden wezenlijk aan te tasten. Daarmee biedt TPM-PAM een nieuwe manier om de relatie tussen hersenactiviteit en zuurstofvoorziening op het niveau van individuele cellen te onderzoeken.
Nano-antennes
Vorige week werd bekend dat onderzoekers van de TU Delft een methode ontwikkeld hebben waarmee elektrische signalen in levende cellen beter zichtbaar gemaakt kunnen worden. Ze plaatsen nano-antennes bij fluorescente, spanningsgevoelige eiwitten die oplichten wanneer de elektrische spanning in een cel verandert. De nano-antennes versterken dit licht tot zes keer, terwijl de onderzochte zoogdiercellen in leven blijven en normaal functioneren.
Opvallend is dat de eiwitten door de aanwezigheid van de nanostructuren ook ongeveer tien keer sneller reageren op veranderingen in elektrische spanning. Dit kan vooral waardevol zijn voor onderzoek naar snelle elektrische signalen in zenuwcellen en synapsen. De onderzoekers combineerden computermodellen, chemische technieken en biologische experimenten om de nano-antennes nauwkeurig aan de eiwitten te koppelen. De methode biedt mogelijk ook nieuwe manieren om andere eiwitten en cellulaire processen te onderzoeken en te beïnvloeden.
Referenties
Nature Communications (onderzoek)
Voeg ICT&health toe aan Google
Toon meer content van ICT&health in Google Zoeken.
