Работая с мышами, группа исследователей Johns Hopkins Medicine разработала относительно недорогой портативный мини-микроскоп, который со временем может улучшить способность ученых отображать эффекты рака, инсульта, болезни Альцгеймера и других состояний в мозгу живых и активных мышей. Устройство размером менее 5 кубических сантиметров прикрепляется к головам животных и собирает в реальном времени изображения из активного мозга мышей, естественно перемещающихся по окружающей среде.
"Эта технология позволяет нам записывать действительно большие объемы данных о базовых функциях мозга на протяжении всей жизни модели болезни," говорит Арвинд Патхак, доктор философии.D., адъюнкт-профессор радиологии и биомедицинской инженерии в Медицинской школе Университета Джона Хопкинса и член онкологического центра Джонса Хопкинса Киммела.
Отчет о разработке мини-микроскопа был опубликован янв. 9 в Nature Communications.
Традиционные микроскопы, используемые в исследованиях изображений головного мозга, представляют собой большие стационарные микроскопы, которые могут быть непомерно дорогими и могут стоить десятки тысяч долларов, говорят исследователи, что ограничивает количество лабораторий, способных получать изображения в течение длительных периодов времени.
Кроме того, громоздкость настольных микроскопов требует, чтобы лабораторные животные оставались неподвижными для получения изображений. Это часто требует многократного обезболивания животных для получения четких изображений. Мозг под наркозом претерпевает изменения, не связанные с заболеванием, что потенциально затрудняет разницу между реальными результатами и реакцией мозга на анестетик.
Новый микроскоп, который работает как миниатюрная экшн-камера GoPro, может снимать изображения в реальном времени и полностью переносится. Это устраняет необходимость обезболивания животных для визуализации, позволяя исследователям наблюдать изменения болезни в более естественном состоянии и связывать такие изменения с поведением животного.
В отличие от других мини-микроскопов, новый микроскоп предлагает исследователям три варианта визуализации для наблюдения изменений в мозге мышей по мере прогрессирования болезни с течением времени: флуоресцентная визуализация для наблюдения за возбуждением нейронов или отслеживания флуоресцентно меченных клеток; так называемая визуализация внутреннего оптического сигнала для наблюдения за изменениями в структуре кровеносных сосудов на протяжении болезни; и лазерная спекл-контрастная визуализация для отслеживания изменений кровотока по мере прогрессирования заболевания.
Патак и его команда построили прототип устройства, используя коммерчески доступные миниатюрные компоненты, такие как светодиодные лампы, линзы микроскопов, датчики изображения и изготовленные на заказ компоненты с трехмерной печатью. Корпус, который прикрепляет микроскоп к голове мыши, полностью напечатан на 3D-принтере и может использоваться повторно. Вся установка, как говорит ведущий автор Джанака Сенаратна, затем подключается к портативному компьютеру, где исследователи могут собирать и анализировать изображения.
В экспериментальном эксперименте, призванном проследить за развитием опухоли головного мозга, исследовательская группа ввела в мозг мышей генетически модифицированные раковые клетки мозга человека, которые светятся, чтобы их можно было увидеть в микроскоп. Затем они установили микроскоп на голову мыши и непрерывно получали изображения мышей в течение 16 дней.
На изображениях, собранных за это время, исследователи смогли наблюдать, как новые кровеносные сосуды растут рядом с опухолью по мере прогрессирования рака. Затем исследователи смогли измерить изменения кровотока во время динамического ремоделирования этих кровеносных сосудов.
"Мы успешно отслеживали эти микроскопические изменения на ежедневной основе, что позволило нам очень подробно изучить аспекты болезни," говорит Патхак.
Патак сказал, что один примечательный аспект заключается в том, что этот микроскоп может стать мощным инструментом для визуализации эффекта новых лекарств от таких заболеваний.
"Это всего лишь один пример полезности этой технологии, который когда-нибудь может повлиять на то, как лучше всего оценивать реакцию на лечение," говорит Патхак.
Исследователи, которые работают с Johns Hopkins Technology Ventures над развитием этой технологии, говорят, что коммерческая версия может стоить примерно в 10 раз меньше, чем доступные в настоящее время модели, и они планируют усовершенствовать устройство, чтобы получать более четкие изображения и контролировать дополнительные функции мозга.