Mikroskopie hlubokého mozku

Představte si, že byste do mozku instalovali „dopravní sledovací kameru“, která by dokázala detekovat buňky způsobující potíže a řítící se po mozkové dálnici dříve, než by jejich buněčný gang mohl spáchat zločin. A co je nejdůležitější: tato kamera by mohla zachytit některé z největších vetřelců ze všech – rakovinné buňky. Vědci Evropské mikrobiologické laboratoře (EMBL) spolupracují na vývoji špičkové mikroskopické metody v kombinaci s umělou inteligencí, aby lépe porozuměli mozkovým nádorům – glioblastomům.

Tato sledovací kamera již není jen výplodem představivosti. Podél největší mozkové superdálnice nervových vláken corpus callosum, která spojuje pravou a levou hemisféru mozku, budou vědci detekovat cestovní buňky, které obsahují jednu z nejsmrtelnějších rakovin mozku, glioblastomy. Vědci zavedli umělou inteligenci do nejmodernějšího mikroskopu a učinili tento buněčný detektor realitou. Mohou vizualizovat a sledovat specifické buňky v hluboké mozkové tkáni s bezprecedentní přesností.

(Pozn.: Corpus callosum (česky mozkový trámec) je shluk nervových vláken pod mozkovou kůrou. Spojuje obě mozkové hemisféry a zajišťuje jejich komunikaci. Je to největší struktura bílé hmoty v lidském mozku, je asi 10 cm dlouhá a tvoří ji cca 200–300 miliónu axonů. (Zdroj Wikipedie.)

Spolupráce mezi EMBL a Heidelberskou univerzitou

Vědci používají novou technologii ke sledování glioblastomových nádorových buněk, aby je případně odhalili dříve, což by v budoucnu mohlo potenciálně vést k lepším diagnostickým nástrojům.

Výzkumníci EMBL se spolupracovníky z Německa, Rakouska, Argentiny, Číny, Francie, Spojených států, Indie a Jordánska  vyvinuli v r. 2021 novou mikroskopickou techniku. Vedoucí skupiny EMBL Robert Prevedel a jeho výzkumná skupina spolupracovali na řešení některých problémů, kterým neurovědci čelí při studiu hlubokých oblastí mozku. Když se vědci pokoušeli pozorovat neurony a gliové buňky – astrocyty, a studovat, jak komunikují hluboko v mozkové kůře, představovala difúzní mozková tkáň problém. Znesnadňovala vizualizaci nervových buněk i v hipokampu, další hluboké oblasti mozku odpovědné za prostorovou paměť a navigaci. 

Zrodil se hluboký tkáňový mikroskop

Vědci založili nový přístup na nejmodernějších mikroskopických metodách, které by  poskytly širší a jasnější obraz pro sledování a zároveň se přizpůsobily zkreslení, které vzniká při rozptylu světelných vln v hluboké mozkové tkáni. K tomu se Prevedel spojil s neurovědci, neuroonkology a odborníky na umělou inteligenci.  Výsledkem je mikroskop, který dokáže pozorovat živé neurony a další druhy mozkových buněk hluboko v mozku po delší dobu. „Přešli jsme od pořizování snímků buněk v myším mozku k přiblížení konkrétních buněk a schopnosti je sledovat mnoho hodin nebo dokonce dní,” řekl Prevedel. „Začlenění vlastních přístupů umělé inteligence nám také umožnilo rozlišit různé části mikroprostředí buněk, což je také velmi důležité pro pochopení jejich chování v kontextu”. Výsledky jsou publikované v časopise Nature Commmunications (Deep intravital brain tumor imaging enabled by tailored three-photon microscopy and analysis | Nature Communications).

Vyzkoušení

O tomto novém přístupu k mikroskopii hlubokých tkání četl s velkým zájmem roku 2021 Varun Venkataramani na neurologické klinice Fakultní nemocnice v Heidelbergu . Ve svém výzkumu se zaměřuje na lidské mozkové nádory, zejména glioblastomy, což jsou převládající, rychle rostoucí a nezvladatelné nádory. Venkataramani se učil o nervových mechanismech, které určují, jak nádory vznikají, postupují a nakonec reagují na léčbu nebo jí odolávají. Kvůli v té době nedostačující hloubce mikroskopického zobrazování studoval hlavně šedou hmotu mozku.

„Článek Robertovy skupiny z roku 2021 představil techniku mikroskopie hlubokých tkání, o které jsem věřil, že by mohla rozšířit naše zobrazovací schopnosti na bílou hmotu corpus callosum“, říká Venkataramani. „Bílá hmota hraje roli v komunikaci mezi různými oblastmi šedé hmoty mozku a zbytkem těla. To by mohlo potenciálně odhalit nové biologické procesy a nabídnout pohled na chování těchto nádorů v kritické, ale nedostatečně prozkoumané oblasti“, dodal. 

Glioblastomy jsou primárně onemocněním bílé hmoty. Nová pokročilá zobrazovací technika umožnila Venkataramaniho týmu pozorovat nádorové buňky přímo v jejich mikroprostředí v bílé hmotě. Tato schopnost byla zásadní pro pochopení toho, jak nádorové buňky napadají hustě myelinizované (izolované) vlákno superdálnice corpus callosum a poté se přizpůsobují a šíří po mozku. „Bylo fascinující pozorovat invazi nádorových buněk v corpus callosum v reálném čase“, řekl Marc Schubert, jeden z hlavních autorů studie a student medicíny na univerzitě v Heidelbergu. „Tato zjištění také pomáhají vysvětlit současné problémy při detekci glioblastomových buněk na infiltrativních okrajích nádoru pomocí konvenčních technik MRI, které jsou standardem v klinickém zobrazování. Jako neurovědec, neurolog a neuroonkolog vidím potenciál této technologie překlenout propast mezi laboratorním výzkumem a klinickou aplikací a zlepšit způsob, jakým bychom mohli diagnostikovat a potenciálně léčit mozkové nádory.”

Umělá inteligence posouvá mikroskop na další úroveň

Důležitým rysem této nejnovější spolupráce bylo, že výzkumníci začlenili prvek umělé inteligence. “Z hlediska technického vývoje pomohly metody založené na AI k vylepšení obrazu, takže kontrast je nyní mnohem jasnější,“ řekl Prevedel. „Umělá inteligence dokáže rozlišit různé struktury uvnitř bílé hmoty, jako jsou myelinizovaná vlákna a krevní cévy, což je důležité z různých důvodů.” Výzkumná skupina Anny Kreshukové v EMBL Heidelberg poskytla odborné znalosti AI a přispěla k přizpůsobenému pracovnímu postupu, který pomohl odlišit signály krevních cév od signálů myelinizovaných nervových vláken a objasnil mikroprostředí nádorových buněk. V důsledku toho by vědci mohli identifikovat potenciální mikroskopický zobrazovací biomarker spojený se strukturními vlastnostmi mikroprostředí bílé hmoty. Tento inovativní pracovní postup připravuje půdu pro potenciální identifikaci zobrazovacích vzorců pro glioblastomy, takže nádory by mohly být detekovány dříve, než je tomu v současnosti. 

„Je to slibné, ale je příliš brzy na to, abychom to aplikovali klinicky bez dalšího vývoje,“ řekl Venkataramani a vysvětlil, že další kroky budou integrovat další pokročilé zobrazovací metody, což pomůže vytvořit praktické nástroje pro standardní klinické prostředí.

Zdroj: Tisková zpráva EMBL