Мониторинг молекулярных изменений в мозге, вызванных раком и другими неврологическими патологиями, неинвазивным способом является одной из основных задач в биомедицинских исследованиях. Новая экспериментальная техника достигла этого путем введения света в мозг мышей с помощью сверхтонкого зонда. Исследование опубликовано в журнале Nature Methods международной группой, в которую входят группы из Испанского национального центра исследований рака (CNIO) и Испанского национального исследовательского совета (CSIC).

Авторы описывают новую технику как «молекулярный фонарик», поскольку он предоставляет информацию о химическом составе нервной ткани, освещая ее. Это позволяет анализировать молекулярные изменения, вызванные опухолями, как первичными, так и метастатическими, а также травмами, такими как черепно-мозговая травма .

Молекулярный фонарик — это зонд толщиной менее 1 мм, с кончиком шириной всего в один микрон — около одной тысячной миллиметра — и невидимый невооруженным глазом. Его можно вводить глубоко в мозг, не причиняя вреда (для сравнения, диаметр человеческого волоса составляет от 30 до 50 микрон).

Этот фонарик-зонд пока не готов к испытаниям на пациентах, и на данный момент это в первую очередь «многообещающий» исследовательский инструмент на животных моделях, позволяющий «мониторить молекулярные изменения, вызванные черепно-мозговой травмой, а также выявлять диагностические маркеры метастазов в мозг с высокой точностью», поясняют авторы статьи.

Работа была выполнена европейским консорциумом NanoBright, в который входят две испанские группы: одна под руководством Мануэля Валиенте, который возглавляет группу метастазов в мозг CNIO, и Лаборатория нейронных цепей CSIC Института Кахаля под руководством Лисет Менендес де ла Прида. Обе группы отвечали за биомедицинские исследования в NanoBright, в то время как группы из итальянских и французских институтов разработали аппаратуру.

Исследование мозга с помощью света без его предварительного изменения
Использование света для активации или регистрации функций мозга является выдающимся достижением, но это не новая технология. Например, так называемые оптогенетические методы позволяют контролировать активность отдельных нейронов с помощью света. Однако эти методы требуют введения гена в нейроны, чтобы сделать их светочувствительными. С новой технологией, представленной NanoBright, мозг можно изучать без предварительного изменения, что представляет собой смену парадигмы в биомедицинских исследованиях.

Техническое название метода, на котором основан новый молекулярный фонарик, — вибрационная спектроскопия . Он работает, используя свойство света, известное как эффект Рамана: когда свет взаимодействует с молекулами, он рассеивается по-разному в зависимости от их химического состава и структуры. Это позволяет обнаружить уникальный сигнал, или спектр, для каждой молекулы. Затем спектр действует как молекулярная подпись, предоставляя информацию о составе освещенной ткани.

Мануэль Валиенте (CNIO) и Лисет Менендес де ла Прида (CSIC) объясняют «молекулярный факел» NanoBright. Фото: CNIO
«Мы можем увидеть любые молекулярные изменения в мозге, вызванные патологией или травмой»
«Эта технология, — объясняет Мануэль Валиенте, — позволяет нам изучать мозг в его естественном состоянии без необходимости предварительного изменения. Более того, она позволяет нам анализировать любые типы мозговых структур, а не только те, которые были генетически помечены или изменены, как это было необходимо при предыдущих технологиях. С помощью вибрационной спектроскопии мы можем увидеть любые молекулярные изменения в мозге при наличии патологии».

Рамановская спектроскопия уже используется в нейрохирургии, но более инвазивным и менее точным способом. «Были проведены исследования по ее использованию во время операций по удалению опухолей головного мозга у пациентов», — отмечает Валиенте.

«В операционной, после того как основная часть опухоли будет удалена хирургическим путем, можно ввести зонд рамановской спектроскопии, чтобы оценить, остались ли в этой области какие-либо раковые клетки. Однако это делается только тогда, когда мозг уже открыт и полость достаточно велика. Эти относительно большие «молекулярные фонарики» несовместимы с минимально инвазивным использованием в моделях живых животных».

Минимально инвазивная методика анализа метастазов
Зонд, разработанный консорциумом NanoBright, настолько тонок, что любой ущерб, который он может нанести при введении в мозговую ткань, считается незначительным, благодаря чему он получил обозначение «минимально инвазивный».

Авторы предлагают конкретные приложения в статье. Группа Валиенте в CNI использовала молекулярный фонарик в экспериментальных моделях метастазов в мозге.

«Как это происходит с пациентами, мы наблюдали, как опухолевые фронты высвобождали клетки, которые избежали бы хирургического вмешательства», — говорит Валиенте. «Отличие от существующих технологий в том, что теперь мы можем проводить этот анализ минимально инвазивным способом, независимо от того, является ли опухоль поверхностной или глубокой».

Для команды CNIO одной из текущих целей является определение того, может ли информация, предоставляемая зондом, «дифференцировать различные онкологические заболевания, такие как типы метастазов, на основе их мутационных профилей, по их первичному происхождению или от различных типов опухолей головного мозга».

ИИ для определения диагностических маркеров
Со своей стороны, команда Института Кахаля использовала эту технику для изучения эпилептогенных областей вокруг травматических повреждений мозга. «Мы смогли идентифицировать различные вибрационные профили в одних и тех же областях мозга, подверженных эпилептическим припадкам, в зависимости от того, были ли они связаны с опухолью или травмой. Это говорит о том, что молекулярные сигнатуры этих областей затронуты по-разному и могут использоваться для различения различных патологических образований с использованием автоматических алгоритмов классификации, включая искусственный интеллект », — объясняет Менендес де ла Прида.

«Интеграция вибрационной спектроскопии с другими модальностями регистрации мозговой активности и передовым вычислительным анализом с использованием искусственного интеллекта позволит нам идентифицировать новые высокоточные диагностические маркеры», — заключает исследователь CSIC. «Это будет способствовать развитию передовых нейротехнологий для новых биомедицинских приложений».